“超级显微镜”助力脑科学探索

4月24日拍摄的清华大学校园景致。

2016年11月，团队成员在清华大学进行第一代RUSH仪器系统集成测试。
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清华大学RUSH仪器外不雅观图。
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小鼠全脑皮层神经活动动态成像结果图。
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4月19日，习近平总布告来到清华大学稽核。
在清华大学成像与智能技能实验室，习近平总布告察看实验室开展打算光学、脑科学与人工智能交叉科学实验研究和开拓新科技运用处景情形，听取实验室理论研究、技能攻关、成果转化运用等情形先容。
习近平总布告指出，重大原始创新成果每每萌发于深厚的根本研究，产生于学科交叉领域，大学在这两方面具有天然上风。
要保持对根本研究的持续投入，鼓励自由探索，敢于质疑现有理论，勇于开拓新的方向。

清华大学成像与智能技能实验室成立于2001年。
实验室卖力人戴琼海是中国工程院院士、清华大学信息科学技能学院院长。
多年来，该实验室提出了多维多尺度光场智能成像理论，并通过原始创新，研制出了“光电芯片”“成像芯片”“显微仪器”，站在本领域的国际前沿。

被称为“超级显微镜”的高分辨光场智能成像显微仪器正是实验室前沿研究成果之一。
这台领先天下的仪器有何神奇之处？未来又将如何实现成果转化落地？近日，走进清华大学成像与智能技能实验室，探访了这里的创新故事。

领先国际的介不雅观显微仪器

从清华大学东南门走进校园，一起绿树成荫。
蓝天白云下，喷泉的水柱有节奏地跳跃着，闪烁着晶莹的光芒。
便是在这样安谧的校园里，出身着一项又一项顶尖的创新科研成果。
高分辨光场智能成像显微仪器(英文简称RUSH)正是个中一个。

仪器是科学研究的“先行官”。
自从显微镜发明以来，人类才逐渐看到了更微不雅观的天下，比如微生物、细胞组织，推动了生命科学的发展。
而在21世纪，揭示大脑的奥秘成为生命科学研究的金字塔尖。
RUSH仪器的研制目标正是剑指脑科学研究。

戴琼海说，近100年有120多项获诺贝尔奖的研究与脑科学有关，解释环球科学界对脑科学研究特殊青睐。
一样平常成人大脑中有860亿到1000亿个神经元，每个神经元还包含1000多个突触，与其他神经元相互连接，并且连接关系处在动态变革中。
研究大脑的运作机制，对发展人工智能、治疗如阿尔茨海默症等疾病都有主要意义。
但由于人类的大脑是极为繁芜的网络，我们至今对脑的科学研究还属于初步探索阶段。

“从2013年开始，美国、欧盟、日本、韩国等都启动了‘脑操持’研究。
这当中的研究方向有很多，我们专注的是揭示神经环路的活动规律。
”研发团队成员、清华大学自动化系副研究员范静涛向讲解道：“我们可以把神经元理解为一个个路由器，它们不断在收发旗子暗记，构成了人的思想、意识等。
神经元之间先连接成小的神经环路，在此根本上再形玉成脑神经网络。
要直接看到神经环路里神经元是如何事情的，便是我们冲要破的难题。
”

在过去，脑不雅观测仪器紧张有两个方向：微不雅观仪器能看清神经元，但看不到全脑；宏不雅观仪器能看到全脑，但无法分辨神经元。

“以是我们须要新的介不雅观尺度仪器，在清晰度上只管即便向微不雅观靠近，分辨率越高越好；在视场上只管即便向宏不雅观靠近，不雅观测范围越大越好。
”范静涛说，天下上很多科研团队都在研制类似的仪器，包括加州理工学院、麻省理工学院、霍华德休斯医学研究所等。
但此前的成果都没有做到尽善尽美，在视场、分辨率、成像速率三个衡量尺度上，能提高两个已经很不错，要再提升第三个非常之难。

戴琼海团队偏偏迎难而上，2012年开始操持研制不雅观测脑皮层神经成像的仪器；2013年，申请国家自然科学基金重大仪器专项并得到支持。

2017年，第一代RUSH仪器出身，视场大小为1厘米1.2厘米，分辨率0.8微米，成像帧率30帧/秒，每帧图像达到1.69亿像素。
这是什么观点？相称于RUSH拍一帧图像是24个4k显示器的数据总量。
它的英文名称“RUSH”，正是取自三个能够描述其特性的英文词组首字母缩写：实时的(Real-time)、极大范围的(Ultra-large-Scale)、高分辨率的(High-resolution)。

2018年，经由优化的第二代RUSH仪器，分辨率提高到了0.396微米，数据通量也达到惊人的100.8亿像素/秒。
范静涛见告：“当其他国家研制的仪器每秒拍到千万像素的时候，我们达到了百亿像素。
RUSH在介不雅观尺度显微仪器中，视场、分辨率、帧率、数据通量等综合指标上全面位居国际领先水平。
”

2019年，科学杂志《自然》(Nature)及其子刊宣布并肯定了RUSH的成果，认为RUSH“战胜了显微镜上视场与分辨率之间的约束瓶颈”，“仅单次成像就可分辨出小鼠全脑表面的亚细胞显微构造”。

研发彰显学科交叉领悟上风

正如戴琼海所说：“节制了工具就即是节制了武器，工具的打破可能带来一系列连锁反应。
”RUSH仪器作为目前国际上首次能实现小鼠全脑皮层范围神经活动高分辨率成像的仪器，已经完成许多创新性的实验。

比如，研究者通过RUSH，可以在1平方厘米的范围内不雅观察活体小鼠的大脑，研究大脑功能旗子暗记和脑血管舒张是否存在关系；可以不雅观察小鼠脑部免疫细胞迁移的过程，来帮助年夜夫研究人体的免疫病理反应；可以剖析研究癫痫病人病变区域产生的癫痫波，从而帮助揭示病理发活气制。
利用RUSH不雅观测神经环路，研究神经网络机制研究，未来也为人工智能跨域发展供应新路子。

从研发、制造RUSH仪器，到利用仪器产出不雅观测成果，学科交叉互助起了非常大的浸染。

RUSH仪器的研制单位包括清华大学、浙江大学和中科院上海光学精密机器研究所；验证单位包括中国公民解放军第三军医大学、华中科技大学同济医学院和中科院上海生命科学研究院。
不同背景的科研职员不断碰撞思维、共同互助，才推出了这一创新成果。

不仅是不同单位的科研职员相互学习，在清华大学范围内，戴琼海团队也吸纳了不同学科背景的人才。
团队里所有人的学术背景都不一样，有学习打算机的、有学光电信息技能的、有学脑科学的。
在实验室从事仪器研究的博士生，也要考生物实验的资格证，由于可能会须要用小鼠做实验。
范静涛笑称：“团队氛围特殊好，大家都很谦逊。
由于大家聚在一起，都是发挥自己专业特长在全新的领域开始探索。
”

直到2016年10月20日，RUSH仪器在浙江大学装调试验后初见成果。
范静涛特意发了一条朋友圈：“此时此地，值得记住。
仪器样机从光学成像到标定拼接，第一次走通!”他说那时才觉得实验前景“透亮了，确实是可行的”。

多年研发过程中，每一批参与过团队事情的博士生、硕士生都在一个名为“不忘却为仪器流的每一滴汗”的微信群里。
只管很多人已经毕业，但大家仍常常保持联系，并为自己曾对研制国际一流仪器贡献过一份力量而骄傲。

“我们以为自己的事情很有代价，并且都对手里的研究兴趣浓厚。
”在团队成员、清华大学脑与认知科学研究院博士吴嘉敏看来，能够和一群心腹同心开拓，组成志趣共同体十分幸运。
“不管是老师还是学生，大家干事，会把国家在这个环节是否有需求、有短板放在非常主要的位置考虑，都想要通过自己的努力挣得一份民族自满感。
”

当第二代RUSH仪器研制成功后，许多国际同行开始前来寻求互换互助。
来自斯坦福大学的研究者认为RUSH仪器是天下一流成果，4次到清华来谈论互助事宜。
最让他们惊异的是，一个项目竟然能同时调动自动化系、电子工程系、精密仪器系、医学院、药学院、生命科学学院的研究者共同参与，“这样密切的单位间互助，切实其实是不可想象的”。

成果转化带动家当链升级

如今，一台第二代RUSH仪器就支配在清华大学主楼内的成像与智能技能实验室里。

2.5米长的台子上，玄色的金属外架有一人多高，霸占了实验室的大半空间。
在仪器侧面，能看到由28个相机组成的相机矩阵。
这一独创设计正是RUSH仪器能兼顾“看得宽”与“分得清”的关键。
相机矩阵背后连着密密麻麻的线路和降温散热的管线。
个中的光纤线，为了做事RUSH的数据传输，速率快到1秒钟能下载完成7部3GB大的电影。
在隔壁，一整间隔音玻璃房里，排列着配套的打算机打算存储设备集群，可存储11000TB的图像信息，以支持RUSH惊人的数据通量。

最让设计团队自满的是，RUSH所用的光学、机器、电子部件全部是自主设计、在海内生产加工的，带动了多家光学生产企业在超高精度加工和检测领域的技能进步。
通过承担高标准严哀求的RUSH器件加工任务，厂家更有底气去承接高端显微、光谱仪、望远镜、经纬仪等项目。

第二代RUSH仪器研制成功后，推动创新成果转化，将仪器批量化生产投入市场，让技能成果直接转化为生产力和经济效益，是团队下一步的操持。

这离不开清华大学重视创新成果转化的氛围。
近年来，通过持续推动科技成果转化系统编制机制改革，组建技能转移机构，完善运行与决策机制，优化勉励政策，清华大学科技成果转化成效显著。
2015年至2020年间，清华大学通过容许、转让、投资等办法转化科技成果520余项，条约额超过30亿元，年均匀增长率超过50%，2020年比2015年条约额增加了7.78倍。

RUSH仪器研制团队在清华大学的支持下，通过知识产权转移等办法，已经在浙江牵头筹建了荷湖科技有限公司，致力于高端显微仪器的生产。
范静涛认为：“过去，中国是显微镜生产大国，但利润率低，紧张缘故原由就在于短缺高真个拳头产品。
而未来，具有自主知识产权和国际竞争力的高端仪器能够出口，将会带动海内光电行业高下游家当链的全面发展。
”

可以说，RUSH仪器取得的收益已经超越了仪器本身。
对科研团队来讲，推进科技和经济紧密结合、推动产学研深度领悟、实现科技同家当无缝对接，具有积极意义，将为科研职员占领“卡脖子”的关键技能供应更多支持，为中国打造天下科学中央和创新高地作出贡献。