想象一下，當(dāng)你沉浸在一段精彩的影視畫面中，你的大腦中數(shù)以億計(jì)的神經(jīng)元是如何迅速活躍起來(lái)，相互作用形成特殊的神經(jīng)環(huán)路的？這些復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又是如何產(chǎn)生意識(shí)的？如果腦部不慎受到撞擊，免疫細(xì)胞是如何迅速響應(yīng)，從哪里出發(fā)奔赴患處的？從細(xì)胞異常開始，一個(gè)腫瘤發(fā)生發(fā)展的完整過(guò)程又是怎樣？
為了找到上述問(wèn)題的答案，清華大學(xué)戴瓊海院士團(tuán)隊(duì)為我們帶來(lái)了一個(gè)前所未有的工具——超級(jí)顯微鏡RUSH3D。這臺(tái)顯微鏡的問(wèn)世，標(biāo)志著我們?cè)谶B接微觀與宏觀世界的介觀尺度上，邁出了重要的一步。研究者們現(xiàn)在可以全景、動(dòng)態(tài)、長(zhǎng)時(shí)程地觀測(cè)哺乳動(dòng)物活體組織中大規(guī)模多樣化細(xì)胞間的交互行為，探索這些生命活動(dòng)的瑰麗奧秘。
近日，戴瓊海團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂尖期刊《細(xì)胞》上發(fā)表了他們的研究成果，宣布新一代介觀活體顯微儀器RUSH3D的問(wèn)世。這一成果不僅填補(bǔ)了國(guó)際上對(duì)哺乳動(dòng)物介觀尺度活體三維觀測(cè)的空白，更為復(fù)雜生物過(guò)程的研究提供了全新視角。
傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡雖然能夠聚焦于單個(gè)細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)交互過(guò)程，但在觀測(cè)活體組織時(shí)，卻往往受限于視場(chǎng)與分辨率之間的固有矛盾。而RUSH3D的出現(xiàn)，使得研究人員可以首次以全景方式動(dòng)態(tài)觀測(cè)哺乳動(dòng)物器官尺度亞細(xì)胞精度的組織異質(zhì)性，這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(guò)程中的動(dòng)態(tài)交互行為，具有前所未有的時(shí)空跨尺度成像能力。
這一技術(shù)的突破，得益于戴瓊海院士團(tuán)隊(duì)多年來(lái)的不懈努力。早在2013年，他們就開始了介觀活體顯微成像領(lǐng)域的研究。2018年，他們成功研制了國(guó)際首臺(tái)億像素介觀熒光顯微儀器RUSH，這一系統(tǒng)被國(guó)際同行譽(yù)為介觀顯微成像領(lǐng)域的先驅(qū)。然而，RUSH系統(tǒng)在當(dāng)時(shí)仍然面臨著一系列技術(shù)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(zhǎng)時(shí)間照射所引起的細(xì)胞損傷，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，以及如何高效處理大規(guī)模介觀數(shù)據(jù)等。
在接下來(lái)的六年中，戴瓊海院士團(tuán)隊(duì)持續(xù)攻關(guān)，提出了掃描光場(chǎng)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(chǎng)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的一系列壁壘，為新一代介觀活體顯微儀器RUSH3D的問(wèn)世奠定了基礎(chǔ)。
RUSH3D的問(wèn)世，不僅在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了重大突破，更在實(shí)際應(yīng)用中展現(xiàn)出了巨大的潛力。在腦科學(xué)領(lǐng)域，RUSH3D能夠?qū)φ?ldquo;看電影”的清醒小鼠進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間全腦范圍高速三維成像，并以足夠的空間分辨率，呈現(xiàn)所觀測(cè)17個(gè)腦區(qū)中如滿天星辰般點(diǎn)點(diǎn)閃耀的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。這為探究生物智能、意識(shí)等大腦功能的產(chǎn)生原理，以及推動(dòng)對(duì)大腦退行性疾病的研究提供了有力支持，還進(jìn)一步促進(jìn)了腦啟發(fā)人工智能的探索。在免疫學(xué)領(lǐng)域，RUSH3D首次觀測(cè)到了急性腦損傷后多腦區(qū)的細(xì)胞級(jí)免疫反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)大量中性粒細(xì)胞從非血管區(qū)域往腦內(nèi)的遷移與回流過(guò)程，為免疫學(xué)研究提供了新的視角。
戴瓊海院士團(tuán)隊(duì)的這一成就，不僅是對(duì)我國(guó)科研實(shí)力的一次展示，更是對(duì)人類探索生命奧秘的一次重要貢獻(xiàn)。他們的努力，讓我們對(duì)大腦的理解更加深入，對(duì)生命的奧秘更加接近。在未來(lái)，我們有理由相信，隨著RUSH3D等先進(jìn)儀器的不斷應(yīng)用和發(fā)展，人類對(duì)生命的認(rèn)知將達(dá)到一個(gè)新的高度。讓我們期待，這些超級(jí)顯微鏡能夠?yàn)槲覀兘沂靖嚓P(guān)于生命的秘密，為人類的健康和福祉帶來(lái)更多的希望。
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