清華大學(xué)自動(dòng)化系博士生導師吳嘉敏在調節多維多尺度計算攝像儀器的光學(xué)系統（2021年5月攝）。新華社發(fā)（清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實(shí)驗室供圖）

　　

　　新華社北京11月16日電（記者喻菲、劉藝煒）大腦如何產(chǎn)生意識？腫瘤如何發(fā)生轉移？吳嘉敏希望自己參與研制的世界上獨一無(wú)二的顯微鏡，幫助人類(lèi)揭開(kāi)大腦的奧秘，并攻克癌癥、阿爾茲海默癥、帕金森病、癲癇等疾病。

　　

　　這位年僅30歲的清華大學(xué)自動(dòng)化系博士生導師研究的方向橫跨了信息學(xué)、光學(xué)和生命科學(xué)。他近年參與研制的一系列多維多尺度計算攝像儀器被稱(chēng)為“上帝視角”的顯微鏡，讓科學(xué)家第一次可以在哺乳動(dòng)物體內研究大規模細胞之間的交互作用，相關(guān)科研成果刊登在《自然》《細胞》等國際權威學(xué)術(shù)期刊。

　　

　　在清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實(shí)驗室，遮光簾幕下露出稀奇古怪的復雜零件，布滿(mǎn)整個(gè)桌臺。這是目前世界上唯一能夠實(shí)現小鼠全腦范圍亞細胞分辨率動(dòng)態(tài)觀(guān)測的設備，是研究神經(jīng)回路工作機理與大范圍腫瘤轉移機制的利器。利用這一特殊的顯微鏡，科學(xué)家在2021年4月首次實(shí)現了在小鼠活體連續6個(gè)小時(shí)以上的毫秒級亞細胞分辨率三維動(dòng)態(tài)觀(guān)測。

　　

　　吳嘉敏介紹，以往生命科學(xué)研究大部分局限于體外觀(guān)測，活體內觀(guān)測常常面臨很大的挑戰。由于缺少從細胞到組織再到器官這一介于微觀(guān)與宏觀(guān)之間的介觀(guān)尺度活體觀(guān)測能力，極大限制了生命科學(xué)的進(jìn)展。

　　

　　“以腦科學(xué)為例，大腦有意識，能夠做出認知決策，但大腦每個(gè)神經(jīng)元不具備這樣的功能。神經(jīng)元之間到底是怎么聯(lián)系的？為什么能產(chǎn)生這種群體行為的功能？我們對單個(gè)神經(jīng)元的結構已經(jīng)很了解了，但如果觀(guān)察不到神經(jīng)元之間的大規模相互作用，就無(wú)法從整體系統的角度去研究整個(gè)功能性的連接過(guò)程。”吳嘉敏說(shuō)。

　　

　　清華大學(xué)自動(dòng)化系博士生導師吳嘉敏在測試計算攝像編碼光照系統（2019年1月攝）。新華社發(fā)（清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實(shí)驗室供圖）

　　

　　要觀(guān)察大量神經(jīng)元的相互作用，就要求成像系統既能覆蓋很大的視野范圍，同時(shí)具備很高的分辨率，能夠看清單個(gè)神經(jīng)元的動(dòng)態(tài)變化。“這就如同在巨大的體育館內去追蹤幾百萬(wàn)甚至幾千萬(wàn)個(gè)乒乓球的高速運動(dòng)。”吳嘉敏說(shuō)。

　　

　　“另外，活體內觀(guān)測會(huì )受到非常多干擾，比如我在說(shuō)話(huà)時(shí)，抖動(dòng)非常劇烈，這為高速三維成像帶來(lái)巨大挑戰。”傳統光學(xué)儀器是為人眼設計的，但吳嘉敏運用信息學(xué)技術(shù)，專(zhuān)為機器設計“眼睛”，借鑒了昆蟲(chóng)復眼精細的振動(dòng)結構，把龐大復雜的成像問(wèn)題拆分成一系列并行的小問(wèn)題，改變了傳統光學(xué)設計的理念。

　　

　　他提出了數字自適應光學(xué)技術(shù)，能以前所未有的精度記錄空間中每一條光線(xiàn)的信息，并在數字世界中重新組織每一條光線(xiàn)，操控光的傳播，克服物理世界中光學(xué)像差的擾動(dòng)去恢復足夠高的空間分辨率，從而實(shí)現了復雜活體環(huán)境中的高分辨率高速三維觀(guān)測。

　　

　　清華大學(xué)的研究人員利用該儀器在國際上第一次實(shí)現了清醒小鼠全腦皮層范圍內亞細胞分辨率的動(dòng)態(tài)觀(guān)測；第一次在哺乳動(dòng)物體內觀(guān)測到癌細胞轉移時(shí)產(chǎn)生遷移體的亞細胞級動(dòng)態(tài)變化。

　　

　　吳嘉敏介紹，在癌癥治療研究方面，該技術(shù)可幫助臨床醫生在腫瘤切除手術(shù)中，實(shí)時(shí)快速判斷是否切除干凈，也可幫助科學(xué)家大范圍觀(guān)測腫瘤轉移的過(guò)程，研究其機制。

　　

　　這是清華大學(xué)科學(xué)家利用多維多尺度計算攝像儀器拍攝的小鼠神經(jīng)圖片（2018年3月攝）。新華社發(fā)（清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實(shí)驗室供圖）

　　

　　中國工程院院士戴瓊海說(shuō)，吳嘉敏的工作打開(kāi)了從系統學(xué)角度理解復雜生命活動(dòng)，在不同生理病理條件下跨尺度變化的大門(mén)，有望揭示神經(jīng)回路、腫瘤轉移、免疫反應新機理。

　　

　　吳嘉敏說(shuō)，研制的起始階段非常艱辛，如《桃花源記》中一樣，經(jīng)過(guò)幽深的小徑才突然豁然開(kāi)朗，像打開(kāi)一個(gè)新世界。“當我們有了新工具，就能看到以往從未見(jiàn)過(guò)的‘世界’，研究以前無(wú)法解答的問(wèn)題。希望這能給生命科學(xué)家一些新的理解，產(chǎn)生新的思路和研究方法。”

　　

　　他崇拜發(fā)現DNA雙螺旋結構的弗朗西斯·克里克。這位原本研究X射線(xiàn)衍射的科學(xué)家把新的工具用到生命科學(xué)領(lǐng)域，帶來(lái)了重大突破。“我們也想做類(lèi)似的事情。”

　　

　　他說(shuō)，光學(xué)是非常古老的學(xué)科，信息科學(xué)的出現給光學(xué)帶來(lái)很大改變。在學(xué)科大交叉的時(shí)代，需要不斷跨入新的領(lǐng)域。吳嘉敏說(shuō)：“我做研究很大程度是受好奇心驅動(dòng)，希望可以做獨特的事。”

　　

　　吳嘉敏希望不斷提高活體介觀(guān)顯微成像性能，看得更廣、更清晰、更快，捕捉到更多現象，并能讓新技術(shù)得到廣泛應用。目前該團隊已將顯微成像儀器從鋪滿(mǎn)一張桌臺縮小到一個(gè)鞋盒大小。這一系列儀器已在支持清華、北大、301醫院等20項創(chuàng )新性科學(xué)研究。

　　

　　該團隊已成立產(chǎn)業(yè)化公司，將數字自適應光學(xué)技術(shù)應用在手機成像、自動(dòng)駕駛三維感知等領(lǐng)域。此外，這一技術(shù)還可用于天文望遠鏡，幫助克服大氣湍流對天文成像造成的干擾，實(shí)現大范圍高分辨率的觀(guān)測。