“超级显微镜”助力脑科学探索(2)

　　“所以我们需要新的介观尺度仪器，在清晰度上尽量向微观靠近，分辨率越高越好；在视场上尽量向宏观靠近，观测范围越大越好。”范静涛说，世界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、成像速度三个衡量尺度上，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年开始计划研制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获得支持。

　　2017年，第一代RUSH仪器诞生，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。这是什么概念？相当于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，经过优化的第二代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。范静涛告诉记者：“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）及其子刊报道并肯定了RUSH的成果，认为RUSH“克服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结构”。

　　研发彰显学科交叉融合优势

　　正如戴琼海所说：“掌握了工具就等于掌握了武器，工具的突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平方厘米的范围内观察活体小鼠的大脑，研究大脑功能信号和脑血管舒张是否存在关系；可以观察小鼠脑部免疫细胞迁移的过程，来帮助医生研究人体的免疫病理反应；可以分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生机制。利用RUSH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提供新途径。

　　从研发、制造RUSH仪器，到利用仪器产出观测成果，学科交叉合作起了非常大的作用。

　　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械研究所；验证单位包括中国人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。不同背景的科研人员不断碰撞思维、共同合作，才推出了这一创新成果。

　　不仅是不同单位的科研人员互相学习，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，有学习计算机的、有学光电信息技术的、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，因为可能会需要用小鼠做实验。范静涛笑称：“团队氛围特别好，大家都很谦虚。因为大家聚在一起，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！”他说那时才感觉实验前景“透亮了，确实是可行的”。