區(qū)別于傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡聚焦于單個(gè)細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)交互過程，RUSH3D使得研究人員可以首次以全景方式動(dòng)態(tài)觀測哺乳動(dòng)物器官尺度亞細(xì)胞精度的組織異質(zhì)性，在活體組織中原位研究大規(guī)模多樣化細(xì)胞在完整生理與病理過程中的動(dòng)態(tài)交互行為。在兼具厘米級三維視場與亞細(xì)胞分辨率的同時(shí)，RUSH3D能以20Hz的高速三維成像速度實(shí)現(xiàn)長達(dá)數(shù)十小時(shí)的連續(xù)低光毒性觀測。相比當(dāng)前市場上最先進(jìn)的商業(yè)化熒光顯微鏡，其在同樣分辨率下的成像視場面積提升近百倍，三維成像速度提升數(shù)十倍，光毒性降低上百倍（有效觀測時(shí)長提升百倍）。這一前所未有的時(shí)空跨尺度成像能力，為復(fù)雜生物過程研究提供了全新視角。
細(xì)胞是生命活動(dòng)的基本單位。人體內(nèi)每時(shí)每刻都在上演著大量不同類型細(xì)胞間交互作用所形成的“交響曲”。然而，在這一連接微觀與宏觀之間的介觀尺度上，卻存在巨大的技術(shù)空白，使得當(dāng)前研究難以在哺乳動(dòng)物的活體環(huán)境器官尺度下同時(shí)觀測大量細(xì)胞在不同生理與病理狀態(tài)下的時(shí)空異質(zhì)性，極大限制了腦科學(xué)、免疫學(xué)、腫瘤學(xué)、藥學(xué)等學(xué)科的發(fā)展。
“僅以腦科學(xué)為例，大量神經(jīng)元間的相互連接和作用涌現(xiàn)出如智能、意識等功能，厘清神經(jīng)環(huán)路的結(jié)構(gòu)和活動(dòng)規(guī)律是解析大腦工作原理的必由之路。然而具備單神經(jīng)元識別能力的傳統(tǒng)顯微鏡往往只具備毫米級視場，僅能覆蓋小鼠單個(gè)或幾個(gè)腦區(qū)實(shí)現(xiàn)單個(gè)平面的神經(jīng)信號動(dòng)態(tài)記錄；功能核磁雖然能夠?qū)崿F(xiàn)三維全腦范圍觀測，但空間分辨率卻遠(yuǎn)不足以識別單細(xì)胞。”中國工程院院士、清華大學(xué)自動(dòng)化系教授戴瓊海介紹，對于腫瘤學(xué)而言，同樣只有兼具大視場與高分辨才能全景式捕捉腫瘤發(fā)生發(fā)展的完整過程，才能更精準(zhǔn)地研究不同藥物反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)新的藥物靶點(diǎn)。
瞄準(zhǔn)這一國際前沿難題，戴瓊海團(tuán)隊(duì)早在2013年就在國家自然科學(xué)基金委重大科研儀器研制項(xiàng)目的支持下，在國際上率先開展介觀活體顯微成像領(lǐng)域研究，并于2018年成功研制了國際首臺億像素介觀熒光顯微儀器RUSH，能夠同時(shí)兼具厘米級視場與亞細(xì)胞分辨率。
彼時(shí)RUSH系統(tǒng)仍然面臨一系列瓶頸，包括如何利用二維傳感器實(shí)現(xiàn)高速三維成像、如何避免激光長時(shí)間照射所引起的細(xì)胞損傷（即光毒性）從而實(shí)現(xiàn)長時(shí)程高速觀測、如何克服復(fù)雜成像環(huán)境導(dǎo)致的光學(xué)像差與背景干擾、如何提升弱光條件下的成像信噪比、如何高效處理大規(guī)模介觀數(shù)據(jù)等。“每一項(xiàng)技術(shù)瓶頸本身都是生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的國際難題，而如何在同一系統(tǒng)上同時(shí)解決這些活體成像壁壘，是一個(gè)更為艱巨的挑戰(zhàn)。”戴瓊海介紹。
此后6年間，團(tuán)隊(duì)持續(xù)攻關(guān)，先后提出掃描光場成像原理、數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)架構(gòu)、虛擬掃描算法、共聚焦掃描光場架構(gòu)、自監(jiān)督去噪算法等關(guān)鍵理論與技術(shù)，逐一解決了介觀活體顯微成像中一系列壁壘，相關(guān)成果發(fā)表于《細(xì)胞》《自然》等國際期刊，為新一代介觀活體顯微儀器研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
清華大學(xué)自動(dòng)化系副教授吳嘉敏介紹，該團(tuán)隊(duì)利用RUSH3D在腦科學(xué)、免疫學(xué)、醫(yī)學(xué)與藥學(xué)等多學(xué)科展示了令人矚目的成果，如首次在活體小鼠上以單細(xì)胞分辨率實(shí)現(xiàn)了覆蓋大腦皮層2/3層的高速長時(shí)程三維觀測，捕捉了多感官刺激下皮層各腦區(qū)的各異性響應(yīng)模式，能夠連續(xù)多天以單神經(jīng)元精度追蹤大規(guī)模神經(jīng)響應(yīng)等，“這些初步實(shí)驗(yàn)雖然僅展現(xiàn)了RUSH3D應(yīng)用的冰山一角，但充分展示了其為神經(jīng)科學(xué)、免疫學(xué)、藥學(xué)等領(lǐng)域前沿研究所帶來的廣闊應(yīng)用前景”。
