學(xué)科交叉融合，勇于開拓創(chuàng)新，清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實驗室前沿研究成果——

“超級顯微鏡”助力腦科學(xué)探索

4月24日拍攝的清華大學(xué)校園景色?！　⌒氯A社記者 邢廣利攝

清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實驗室成立于2001年。實驗室負責(zé)人戴瓊海是中國工程院院士、清華大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長。多年來，該實驗室提出了多維多尺度光場智能成像理論，并通過原始創(chuàng)新，研制出了“光電芯片”“成像芯片”“顯微儀器”，站在本領(lǐng)域的國際前沿。

4月19日，習(xí)近平總書記來到清華大學(xué)考察。在清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實驗室，習(xí)近平總書記察看實驗室開展計算光學(xué)、腦科學(xué)與人工智能交叉科學(xué)實驗研究和開發(fā)新科技應(yīng)用場景情況，聽取實驗室理論研究、技術(shù)攻關(guān)、成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用等情況介紹。習(xí)近平總書記指出，重大原始創(chuàng)新成果往往萌發(fā)于深厚的基礎(chǔ)研究，產(chǎn)生于學(xué)科交叉領(lǐng)域，大學(xué)在這兩方面具有天然優(yōu)勢。要保持對基礎(chǔ)研究的持續(xù)投入，鼓勵自由探索，敢于質(zhì)疑現(xiàn)有理論，勇于開拓新的方向。

被稱為“超級顯微鏡”的高分辨光場智能成像顯微儀器正是實驗室前沿研究成果之一。這臺領(lǐng)先世界的儀器有何神奇之處？未來又將如何實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化落地？近日，記者走進清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實驗室，探訪了這里的創(chuàng)新故事。

領(lǐng)先國際的介觀顯微儀器

從清華大學(xué)東南門走進校園，一路綠樹成蔭。藍天白云下，噴泉的水柱有節(jié)奏地跳躍著，閃爍著晶瑩的光芒。就是在這樣靜謐的校園里，誕生著一項又一項頂尖的創(chuàng)新科研成果。高分辨光場智能成像顯微儀器（英文簡稱RUSH）正是其中一個。

儀器是科學(xué)研究的“先行官”。自從顯微鏡發(fā)明以來，人類才逐漸看到了更微觀的世界，比如微生物、細胞組織，推動了生命科學(xué)的發(fā)展。而在21世紀(jì)，揭示大腦的奧秘成為生命科學(xué)研究的金字塔尖。RUSH儀器的研制目標(biāo)正是劍指腦科學(xué)研究。

戴瓊海說，近100年有20多項獲諾貝爾獎的研究與腦科學(xué)有關(guān)，說明全球科學(xué)界對腦科學(xué)研究特別青睞。一般成人大腦中有860億到1000億個神經(jīng)元，每個神經(jīng)元還包含1000多個突觸，與其他神經(jīng)元互相連接，并且連接關(guān)系處在動態(tài)變化中。研究大腦的運作機制，對發(fā)展人工智能、治療如阿爾茨海默癥等疾病都有重要意義。但因為人類的大腦是極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，我們至今對腦的科學(xué)研究還屬于初步探索階段。

“從2013年開始，美國、歐盟、日本、韓國等都啟動了‘腦計劃’研究。這當(dāng)中的研究方向有很多，我們專注的是揭示神經(jīng)環(huán)路的活動規(guī)律?！毖邪l(fā)團隊成員、清華大學(xué)自動化系副研究員范靜濤向記者講解道：“我們可以把神經(jīng)元理解為一個個路由器，它們不斷在收發(fā)信號，構(gòu)成了人的思想、意識等。神經(jīng)元之間先連接成小的神經(jīng)環(huán)路，在此基礎(chǔ)上再形成全腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。要直接看到神經(jīng)環(huán)路里神經(jīng)元是如何工作的，就是我們要突破的難題。”

在過去，腦觀測儀器主要有兩個方向：微觀儀器能看清神經(jīng)元，但看不到全腦；宏觀儀器能看到全腦，但無法分辨神經(jīng)元。

“所以我們需要新的介觀尺度儀器，在清晰度上盡量向微觀靠近，分辨率越高越好；在視場上盡量向宏觀靠近，觀測范圍越大越好。”范靜濤說，世界上很多科研團隊都在研制類似的儀器，包括加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院、霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所等。但此前的成果都沒有做到盡善盡美，在視場、分辨率、成像速度三個衡量尺度上，能提高兩個已經(jīng)很不錯，要再提升第三個非常之難。

戴瓊海團隊偏偏迎難而上，2012年開始計劃研制觀測腦皮層神經(jīng)成像的儀器；2013年，申請國家自然科學(xué)基金重大儀器專項并獲得支持。

2017年，第一代RUSH儀器誕生，視場大小為1厘米×1.2厘米，分辨率0.8微米，成像幀率30幀/秒，每幀圖像達到1.69億像素。這是什么概念？相當(dāng)于RUSH拍一幀圖像是24個4k顯示器的數(shù)據(jù)總量。它的英文名稱“RUSH”，正是取自三個能夠描述其特性的英文詞組首字母縮寫：實時的（Real-time）、極大范圍的（Ultra-large-Scale）、高分辨率的（High-resolution）。

2018年，經(jīng)過優(yōu)化的第二代RUSH儀器，分辨率提高到了0.396微米，數(shù)據(jù)通量也達到驚人的100.8億像素/秒。范靜濤告訴記者：“當(dāng)其他國家研制的儀器每秒拍到千萬像素的時候，我們達到了百億像素。RUSH在介觀尺度顯微儀器中，視場、分辨率、幀率、數(shù)據(jù)通量等綜合指標(biāo)上全面位居國際領(lǐng)先水平?！?/p>

2019年，科學(xué)雜志《自然》（Nature）及其子刊報道并肯定了RUSH的成果，認(rèn)為RUSH“克服了顯微鏡上視場與分辨率之間的約束瓶頸”，“僅單次成像就可分辨出小鼠全腦表面的亞細胞顯微結(jié)構(gòu)”。

研發(fā)彰顯學(xué)科交叉融合優(yōu)勢

正如戴瓊海所說：“掌握了工具就等于掌握了武器，工具的突破可能帶來一系列連鎖反應(yīng)。”RUSH儀器作為目前國際上首次能實現(xiàn)小鼠全腦皮層范圍神經(jīng)活動高分辨率成像的儀器，已經(jīng)完成許多創(chuàng)新性的實驗。

比如，研究者通過RUSH，可以在1平方厘米的范圍內(nèi)觀察活體小鼠的大腦，研究大腦功能信號和腦血管舒張是否存在關(guān)系；可以觀察小鼠腦部免疫細胞遷移的過程，來幫助醫(yī)生研究人體的免疫病理反應(yīng)；可以分析研究癲癇病人病變區(qū)域產(chǎn)生的癲癇波，從而幫助揭示病理發(fā)生機制。利用RUSH觀測神經(jīng)環(huán)路，研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機制研究，未來也為人工智能跨域發(fā)展提供新途徑。

從研發(fā)、制造RUSH儀器，到利用儀器產(chǎn)出觀測成果，學(xué)科交叉合作起了非常大的作用。

RUSH儀器的研制單位包括清華大學(xué)、浙江大學(xué)和中科院上海光學(xué)精密機械研究所；驗證單位包括中國人民解放軍第三軍醫(yī)大學(xué)、華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院和中科院上海生命科學(xué)研究院。不同背景的科研人員不斷碰撞思維、共同合作，才推出了這一創(chuàng)新成果。

不僅是不同單位的科研人員互相學(xué)習(xí)，在清華大學(xué)范圍內(nèi)，戴瓊海團隊也吸納了不同學(xué)科背景的人才。團隊里所有人的學(xué)術(shù)背景都不一樣，有學(xué)習(xí)計算機的、有學(xué)光電信息技術(shù)的、有學(xué)腦科學(xué)的。在實驗室從事儀器研究的博士生，也要考生物實驗的資格證，因為可能會需要用小鼠做實驗。范靜濤笑稱：“團隊氛圍特別好，大家都很謙虛。因為大家聚在一起，都是發(fā)揮自己專業(yè)特長在全新的領(lǐng)域開始探索?！?/p>

直到2016年10月20日，RUSH儀器在浙江大學(xué)裝調(diào)試驗后初見成果。范靜濤特意發(fā)了一條朋友圈：“此時此地，值得記住。儀器樣機從光學(xué)成像到標(biāo)定拼接，第一次走通！”他說那時才感覺實驗前景“透亮了，確實是可行的”。

多年研發(fā)過程中，每一批參與過團隊工作的博士生、碩士生都在一個名為“不忘記為儀器流的每一滴汗”的微信群里。盡管很多人已經(jīng)畢業(yè)，但大家仍常常保持聯(lián)系，并為自己曾對研制國際一流儀器貢獻過一份力量而驕傲。

“我們覺得自己的工作很有價值，并且都對手里的研究興趣濃厚?！痹趫F隊成員、清華大學(xué)腦與認(rèn)知科學(xué)研究院博士吳嘉敏看來，能夠和一群知己齊心開拓，組成志趣共同體十分幸運?！安还苁抢蠋熯€是學(xué)生，大家做事，會把國家在這個環(huán)節(jié)是否有需求、有短板放在非常重要的位置考慮，都想要通過自己的努力掙得一份民族自豪感?！?/p>

當(dāng)?shù)诙鶵USH儀器研制成功后，許多國際同行開始前來尋求交流合作。來自斯坦福大學(xué)的研究者認(rèn)為RUSH儀器是世界一流成果，4次到清華來討論合作事宜。最讓他們驚訝的是，一個項目竟然能同時調(diào)動自動化系、電子工程系、精密儀器系、醫(yī)學(xué)院、藥學(xué)院、生命科學(xué)學(xué)院的研究者共同參與，“這樣密切的單位間合作，簡直是不可想象的”。

成果轉(zhuǎn)化帶動產(chǎn)業(yè)鏈升級

如今，一臺第二代RUSH儀器就布置在清華大學(xué)主樓內(nèi)的成像與智能技術(shù)實驗室里。

2.5米長的臺子上，黑色的金屬外架有一人多高，占據(jù)了實驗室的大半空間。在儀器側(cè)面，能看到由28個相機組成的相機矩陣。這一獨創(chuàng)設(shè)計正是RUSH儀器能兼顧“看得寬”與“分得清”的關(guān)鍵。相機矩陣背后連著密密麻麻的線路和降溫散熱的管線。其中的光纖線，為了服務(wù)RUSH的數(shù)據(jù)傳輸，速度快到1秒鐘能下載完成7部3GB大的電影。在隔壁，一整間隔音玻璃房里，排列著配套的計算機計算存儲設(shè)備集群，可存儲11000TB的圖像信息，以支持RUSH驚人的數(shù)據(jù)通量。

最讓設(shè)計團隊自豪的是，RUSH所用的光學(xué)、機械、電子部件全部是自主設(shè)計、在國內(nèi)生產(chǎn)加工的，帶動了多家光學(xué)生產(chǎn)企業(yè)在超高精度加工和檢測領(lǐng)域的技術(shù)進步。通過承擔(dān)高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)要求的RUSH器件加工任務(wù)，廠家更有底氣去承接高端顯微、光譜儀、望遠鏡、經(jīng)緯儀等項目。

第二代RUSH儀器研制成功后，推動創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化，將儀器批量化生產(chǎn)投入市場，讓技術(shù)成果直接轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力和經(jīng)濟效益，是團隊下一步的計劃。

這離不開清華大學(xué)重視創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化的氛圍。近年來，通過持續(xù)推動科技成果轉(zhuǎn)化體制機制改革，組建技術(shù)轉(zhuǎn)移機構(gòu)，完善運行與決策機制，優(yōu)化激勵政策，清華大學(xué)科技成果轉(zhuǎn)化成效顯著。2015年至2020年間，清華大學(xué)通過許可、轉(zhuǎn)讓、投資等方式轉(zhuǎn)化科技成果520余項，合同額超過30億元，年平均增長率超過50%，2020年比2015年合同額增加了7.78倍。

RUSH儀器研制團隊在清華大學(xué)的支持下，通過知識產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)移等方式，已經(jīng)在浙江牽頭籌建了荷湖科技有限公司，致力于高端顯微儀器的生產(chǎn)。范靜濤認(rèn)為：“過去，中國是顯微鏡生產(chǎn)大國，但利潤率低，主要原因就在于缺少高端的拳頭產(chǎn)品。而未來，具有自主知識產(chǎn)權(quán)和國際競爭力的高端儀器能夠出口，將會帶動國內(nèi)光電行業(yè)上下游產(chǎn)業(yè)鏈的全面發(fā)展?！?/p>

可以說，RUSH儀器取得的收益已經(jīng)超越了儀器本身。對科研團隊來講，推進科技和經(jīng)濟緊密結(jié)合、推動產(chǎn)學(xué)研深度融合、實現(xiàn)科技同產(chǎn)業(yè)無縫對接，具有積極意義，將為科研人員攻克“卡脖子”的關(guān)鍵技術(shù)提供更多支持，為中國打造世界科學(xué)中心和創(chuàng)新高地作出貢獻。