學(xué)科交叉融合，勇于開(kāi)拓創(chuàng)新，清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室前沿研究成果——

“超級(jí)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。　　新華社記者 邢廣利攝

清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室成立于2001年。實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人戴瓊海是中國(guó)工程院院士、清華大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)。多年來(lái)，該實(shí)驗(yàn)室提出了多維多尺度光場(chǎng)智能成像理論，并通過(guò)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(guó)際前沿。

4月19日，習(xí)近平總書(shū)記來(lái)到清華大學(xué)考察。在清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，習(xí)近平總書(shū)記察看實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展計(jì)算光學(xué)、腦科學(xué)與人工智能交叉科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究和開(kāi)發(fā)新科技應(yīng)用場(chǎng)景情況，聽(tīng)取實(shí)驗(yàn)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(shū)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(shì)。要保持對(duì)基礎(chǔ)研究的持續(xù)投入，鼓勵(lì)自由探索，敢于質(zhì)疑現(xiàn)有理論，勇于開(kāi)拓新的方向。

被稱為“超級(jí)顯微鏡”的高分辨光場(chǎng)智能成像顯微儀器正是實(shí)驗(yàn)室前沿研究成果之一。這臺(tái)領(lǐng)先世界的儀器有何神奇之處？未來(lái)又將如何實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化落地？近日，記者走進(jìn)清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，探訪了這里的創(chuàng)新故事。

領(lǐng)先國(guó)際的介觀顯微儀器

從清華大學(xué)東南門走進(jìn)校園，一路綠樹(shù)成蔭。藍(lán)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(xiàng)又一項(xiàng)頂尖的創(chuàng)新科研成果。高分辨光場(chǎng)智能成像顯微儀器（英文簡(jiǎn)稱RUSH）正是其中一個(gè)。

儀器是科學(xué)研究的“先行官”。自從顯微鏡發(fā)明以來(lái)，人類才逐漸看到了更微觀的世界，比如微生物、細(xì)胞組織，推動(dòng)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(shuō)，近100年有20多項(xiàng)獲諾貝爾獎(jiǎng)的研究與腦科學(xué)有關(guān)，說(shuō)明全球科學(xué)界對(duì)腦科學(xué)研究特別青睞。一般成人大腦中有860億到1000億個(gè)神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元還包含1000多個(gè)突觸，與其他神經(jīng)元互相連接，并且連接關(guān)系處在動(dòng)態(tài)變化中。研究大腦的運(yùn)作機(jī)制，對(duì)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?yàn)槿祟惖拇竽X是極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，我們至今對(duì)腦的科學(xué)研究還屬于初步探索階段。

“從2013年開(kāi)始，美國(guó)、歐盟、日本、韓國(guó)等都啟動(dòng)了‘腦計(jì)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(dòng)規(guī)律。”研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員、清華大學(xué)自動(dòng)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(gè)個(gè)路由器，它們不斷在收發(fā)信號(hào)，構(gòu)成了人的思想、意識(shí)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(guò)去，腦觀測(cè)儀器主要有兩個(gè)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(wú)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(chǎng)上盡量向宏觀靠近，觀測(cè)范圍越大越好。”范靜濤說(shuō)，世界上很多科研團(tuán)隊(duì)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(méi)有做到盡善盡美，在視場(chǎng)、分辨率、成像速度三個(gè)衡量尺度上，能提高兩個(gè)已經(jīng)很不錯(cuò)，要再提升第三個(gè)非常之難。

戴瓊海團(tuán)隊(duì)偏偏迎難而上，2012年開(kāi)始計(jì)劃研制觀測(cè)腦皮層神經(jīng)成像的儀器；2013年，申請(qǐng)國(guó)家自然科學(xué)基金重大儀器專項(xiàng)并獲得支持。

2017年，第一代RUSH儀器誕生，視場(chǎng)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(dá)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(gè)4k顯示器的數(shù)據(jù)總量。它的英文名稱“RUSH”，正是取自三個(gè)能夠描述其特性的英文詞組首字母縮寫(xiě)：實(shí)時(shí)的（Real-time）、極大范圍的（Ultra-large-Scale）、高分辨率的（High-resolution）。

2018年，經(jīng)過(guò)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(dá)到驚人的100.8億像素/秒。范靜濤告訴記者：“當(dāng)其他國(guó)家研制的儀器每秒拍到千萬(wàn)像素的時(shí)候，我們達(dá)到了百億像素。RUSH在介觀尺度顯微儀器中，視場(chǎng)、分辨率、幀率、數(shù)據(jù)通量等綜合指標(biāo)上全面位居國(guó)際領(lǐng)先水平。”

2019年，科學(xué)雜志《自然》（Nature）及其子刊報(bào)道并肯定了RUSH的成果，認(rèn)為RUSH“克服了顯微鏡上視場(chǎng)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(xì)胞顯微結(jié)構(gòu)”。

研發(fā)彰顯學(xué)科交叉融合優(yōu)勢(shì)

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

比如，研究者通過(guò)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(hào)和腦血管舒張是否存在關(guān)系；可以觀察小鼠腦部免疫細(xì)胞遷移的過(guò)程，來(lái)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(jī)制。利用RUSH觀測(cè)神經(jīng)環(huán)路，研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制研究，未來(lái)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(cè)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(jī)械研究所；驗(yàn)證單位包括中國(guó)人民解放軍第三軍醫(yī)大學(xué)、華中科技大學(xué)同濟(jì)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(tuán)隊(duì)也吸納了不同學(xué)科背景的人才。團(tuán)隊(duì)里所有人的學(xué)術(shù)背景都不一樣，有學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)的、有學(xué)光電信息技術(shù)的、有學(xué)腦科學(xué)的。在實(shí)驗(yàn)室從事儀器研究的博士生，也要考生物實(shí)驗(yàn)的資格證，因?yàn)榭赡軙?huì)需要用小鼠做實(shí)驗(yàn)。范靜濤笑稱：“團(tuán)隊(duì)氛圍特別好，大家都很謙虛。因?yàn)榇蠹揖墼谝黄穑际前l(fā)揮自己專業(yè)特長(zhǎng)在全新的領(lǐng)域開(kāi)始探索。”

直到2016年10月20日，RUSH儀器在浙江大學(xué)裝調(diào)試驗(yàn)后初見(jiàn)成果。范靜濤特意發(fā)了一條朋友圈：“此時(shí)此地，值得記住。儀器樣機(jī)從光學(xué)成像到標(biāo)定拼接，第一次走通！”他說(shuō)那時(shí)才感覺(jué)實(shí)驗(yàn)前景“透亮了，確實(shí)是可行的”。

多年研發(fā)過(guò)程中，每一批參與過(guò)團(tuán)隊(duì)工作的博士生、碩士生都在一個(gè)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(duì)研制國(guó)際一流儀器貢獻(xiàn)過(guò)一份力量而驕傲。

“我們覺(jué)得自己的工作很有價(jià)值，并且都對(duì)手里的研究興趣濃厚。”在團(tuán)隊(duì)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(lái)，能夠和一群知己齊心開(kāi)拓，組成志趣共同體十分幸運(yùn)。“不管是老師還是學(xué)生，大家做事，會(huì)把國(guó)家在這個(gè)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(guò)自己的努力掙得一份民族自豪感。”

當(dāng)?shù)诙鶵USH儀器研制成功后，許多國(guó)際同行開(kāi)始前來(lái)尋求交流合作。來(lái)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(lái)討論合作事宜。最讓他們驚訝的是，一個(gè)項(xiàng)目竟然能同時(shí)調(diào)動(dòng)自動(dòng)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(jiǎn)直是不可想象的”。

成果轉(zhuǎn)化帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈升級(jí)

如今，一臺(tái)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(shí)驗(yàn)室里。

2.5米長(zhǎng)的臺(tái)子上，黑色的金屬外架有一人多高，占據(jù)了實(shí)驗(yàn)室的大半空間。在儀器側(cè)面，能看到由28個(gè)相機(jī)組成的相機(jī)矩陣。這一獨(dú)創(chuàng)設(shè)計(jì)正是RUSH儀器能兼顧“看得寬”與“分得清”的關(guān)鍵。相機(jī)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(jì)算機(jī)計(jì)算存儲(chǔ)設(shè)備集群，可存儲(chǔ)11000TB的圖像信息，以支持RUSH驚人的數(shù)據(jù)通量。

最讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)自豪的是，RUSH所用的光學(xué)、機(jī)械、電子部件全部是自主設(shè)計(jì)、在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)加工的，帶動(dòng)了多家光學(xué)生產(chǎn)企業(yè)在超高精度加工和檢測(cè)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。通過(guò)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(yuǎn)鏡、經(jīng)緯儀等項(xiàng)目。

第二代RUSH儀器研制成功后，推動(dòng)創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化，將儀器批量化生產(chǎn)投入市場(chǎng)，讓技術(shù)成果直接轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)效益，是團(tuán)隊(duì)下一步的計(jì)劃。

這離不開(kāi)清華大學(xué)重視創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化的氛圍。近年來(lái)，通過(guò)持續(xù)推動(dòng)科技成果轉(zhuǎn)化體制機(jī)制改革，組建技術(shù)轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，完善運(yùn)行與決策機(jī)制，優(yōu)化激勵(lì)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(guò)許可、轉(zhuǎn)讓、投資等方式轉(zhuǎn)化科技成果520余項(xiàng)，合同額超過(guò)30億元，年平均增長(zhǎng)率超過(guò)50%，2020年比2015年合同額增加了7.78倍。

RUSH儀器研制團(tuán)隊(duì)在清華大學(xué)的支持下，通過(guò)知識(shí)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(guò)去，中國(guó)是顯微鏡生產(chǎn)大國(guó)，但利潤(rùn)率低，主要原因就在于缺少高端的拳頭產(chǎn)品。而未來(lái)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高端儀器能夠出口，將會(huì)帶動(dòng)國(guó)內(nèi)光電行業(yè)上下游產(chǎn)業(yè)鏈的全面發(fā)展。”

可以說(shuō)，RUSH儀器取得的收益已經(jīng)超越了儀器本身。對(duì)科研團(tuán)隊(duì)來(lái)講，推進(jìn)科技和經(jīng)濟(jì)緊密結(jié)合、推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研深度融合、實(shí)現(xiàn)科技同產(chǎn)業(yè)無(wú)縫對(duì)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(guó)打造世界科學(xué)中心和創(chuàng)新高地作出貢獻(xiàn)。