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2018-11-17 21:48 来源:有问必答

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    我国自主研制的多维多尺度高分辨率计算摄像显微仪器突破传统显微技术数据通量制约

    日期 2018-11-17   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

    (吴凡)(责编:龚霏菲、王珩)

    第2期
    (总491期)

    本文提要:在国家自然科学基金重大科研仪器设备研制专项支持下,由清华大学戴琼海院士领衔,浙江大学、中国科学院上海光学精密机械研究所、中国科学院上海生命科学研究所、中国人民解放军第三军医大学等单位研究人员共同组成的科研团队,在多维多尺度高分辨率计算摄像显微仪器研制方面取得重大进展,研制出的新型超宽视场高分辨率实时显微成像仪器是当前全球视场最大、数据通量最高的光学显微仪器。

      脑科学是人类认知的终极疆域。脑科学研究对于提升人类认知水平、脑疾病诊治和人工智能技术发展具有十分重要的意义,也是国际生命科学基础研究和临床医学研究面临的一大挑战。世界著名神经科学家、美国科学院院士、哈佛大学约书亚桑斯(Joshua Sanes)教授在2008年《自然·神经学评论》(Nature Reviews Neuroscience)上发表专题论文指出,“神经科学的一个中心目标是揭示神经环路图谱。然而,目前所有针对神经环路的成像手段都有很大局限性,现有仪器精确刻画神经环路图谱非常困难”。分析认为,其主要原因是显微技术受数据通量制约,无法获得观测对象的活体全脑高分辨率动态成像数据。此后,美国BRAIN,MICrONS,欧盟HBP等脑计划均给予新型显微成像仪器研制重点支持。2013年至2016年,美国加州理工大学、麻省理工大学、霍华德休斯医学研究所,英国斯特拉斯克莱德大学等研究机构在《自然》(Nature)系列杂志上发表论文,揭示其所研制的亚厘米级视场显微仪器可观测小鼠等实验动物的脑神经结构,但仍受到数据通量制约,无法观测小鼠全脑神经活动和神经环路整合机制。在国家自然科学基金重大科研仪器设备研制专项“多维多尺度高分辨率计算摄像仪器”项目支持下,清华大学戴琼海院士团队成功研发出新型超宽视场高分辨率实时显微成像仪器(Real-time Ultra-large-Scale imaging at High-resolution,以下简称RUSH),该仪器是目前全球视场最大、数据通量最高的光学显微仪器,从理论创新、技术突破、科研实践三个层面率先克服了传统显微成像中大视场与高分辨率之间的固有矛盾,突破了低数据通量瓶颈,实现1厘米×1.2厘米超宽视场下800纳米分辨率的实时动态成像,实现了兼顾“全局形态”和“细节特征”的多尺度观测。

      一、实现重大理论创新

      在理论创新方面,研究团队以计算摄像理论创新为先导,在宽场高分辨成像、三维空间中多维多尺度信号获取、背景光抑制、景深扩展及可调等新型成像技术方面取得了多项原创成果。提出了多维多尺度高分辨率计算显微成像原理,与传统先光学成像后计算处理不同,将计算环节前移至光学成像过程中,设计了计算光场、计算光照和计算传感的全计算显微成像架构,通过多维度光学信号耦合采集和解耦重建提高显微仪器数据通量。围绕该研究发表高层次论文65篇,有6篇论文分别入选计算摄像领域国际计算机视觉会议(ICCV,International Conference on Computer Vision)、欧洲计算机视觉会议(ECCV,European Conference on Computer Vision)和电气和电子工程师协会计算机视觉和模式识别会议(CVPR,IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition)等三大顶级国际会议。本研究还发明了多谱段方向重光照、大规模像感器阵列、高数据通量采集存储等多项自主知识产权技术,获得38项中国授权专利、6项国际授权专利。

      二、取得重大技术突破

      在技术转化方面,RUSH通过光学、微电子、计算机视觉以及信号处理等学科交叉,以计算摄像原理为核心,研制飞秒激光时空聚焦,设计中继成像阵列,建立高数据通量采集存储架构,构建多维多尺度高分辨率计算摄像装置,具有1厘米×1.2厘米宽视场、800纳米高分辨率、30帧/秒高帧率、1.69亿像素/帧的高时空分辨率多维连续成像能力,将活体动物脑神经观测数据通量由1000万像素/秒提升至50亿像素/秒。其视场是同等分辨率下商用显微镜视场的120倍,是全球第二大宽视场显微镜头Mesolens的3.3倍(Mesolens视场0.6毫米×0.6毫米,分辨率800纳米,数据通量为400万像素/秒,由英国斯特拉斯克莱德大学2016年研制,是2016年度物理学领域十大突破之一)。数据通量是全球第二大高通量显微仪器2p-RAM显微镜的500多倍(2p-RAM视场直径5毫米,分辨率660纳米,数据通量为1066万像素/秒,由美国霍华德休斯医学研究所2016年研制成功)。RUSH的研制攻克了宽场高分辨率显微物镜设计制造、大规模像感器阵列高精度装调等难点工程问题。

      三、有效支撑科研实践

      在仪器应用研究方面,借助RUSH已开展了一系列生命科学实验,如:首次实现对上万个心肌细胞功能成像的实时观测,为优化时空多维度联合分类算法,构建超高通量高内涵心血管药物筛选平台奠定了基础;开拓了小鼠全脑皮层表面神经与血管高分辨成像方法,检验临床医学基本假设,探索脑部神经血管之间的复杂耦合关系;实现了清醒小鼠全脑皮层神经活动高分辨率动态成像突破,完成对结构和功能信息的统一观测。清华大学团队运用RUSH已初步建立了神经形态类脑计算系统的仿真验证体系架构,提出了神经形态类脑计算理论、复杂网络控制方法及其学习机制,成果发表在《科学》(Science)的智能机器人特刊上,为人工智能研究跨越式发展提供新的神经网络基础数据和结构指引。本研究还通过神经科学和肿瘤学领域的体外和在体实验,有望揭示生理和病理状态下神经环路的结构与功能耦合、肿瘤干细胞与上皮细胞间质转化的关系,以及恶性肿瘤转移的器官亲嗜性等重要生命现象规律。

      RUSH研制成功对推进生命和医学科学发展,提升我国大型精密生物观测科学仪器的研究和应用水平具有重大战略意义,深受国外同行专家青睐。诺贝尔物理学奖得主朱棣文(Stevens Chu)、英国皇家工程院院士汤尼·威尔森(Tony Wilson)、美国国家卫生研究院高级研究员哈里·施罗夫(Hari Schroff)、美国纽约大学教授安东尼·莫斯通(Anthony Movshon)、美国伊利诺伊香槟分校教授加布里埃尔·波佩斯库(Gabriel Popescu)、美国杜克大学副校长劳伦斯·卡林(Lawrence Carin)教授和大卫·布莱迪(David J.Brady)教授等多位国际知名专家均对本项研究工作给予高度评价,并表达了合作意愿。目前,研究团队正在进一步努力,争取“十三五”期间在相关理论研究及其临床转化方面能够取得更大突破。




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