清華大學自動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系統(2021年5月攝)。新華社發(清華大學成像與智能技術實驗室供圖)

大腦如何產生意識?腫瘤如何發生轉移?吳嘉敏希望自己參與研制的世界上獨一無二的顯微鏡，幫助人類揭開大腦的奧秘，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歲的清華大學自動化系博士生導師研究的方向橫跨了信息學、光學和生命科學。他近年參與研制的一系列多維多尺度計算攝像儀器被稱為“上帝視角”的顯微鏡，讓科學家第一次可以在哺乳動物體內研究大規模細胞之間的交互作用，相關科研成果刊登在《自然》《細胞》等國際權威學術期刊。

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在清華大學成像與智能技術實驗室，遮光簾幕下露出稀奇古怪的復雜零件，布滿整個桌臺。這是目前世界上唯一能夠實現小鼠全腦范圍亞細胞分辨率動態觀測的設備，是研究神經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，科學家在2021年4月首次實現了在小鼠活體連續6個小時以上的毫秒級亞細胞分辨率三維動態觀測。

吳嘉敏介紹，以往生命科學研究大部分局限于體外觀測，活體內觀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與宏觀之間的介觀尺度活體觀測能力，極大限制了生命科學的進展。

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

清華大學自動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(清華大學成像與智能技術實驗室供圖)

要觀察大量神經元的相互作用，就要求成像系統既能覆蓋很大的視野范圍，同時具備很高的分辨率，能夠看清單個神經元的動態變化。“這就如同在巨大的體育館內去追蹤幾百萬甚至幾千萬個乒乓球的高速運動。”吳嘉敏說。

“另外，活體內觀測會受到非常多干擾，比如我在說話時，抖動非常劇烈，這為高速三維成像帶來巨大挑戰。”傳統光學儀器是為人眼設計的，但吳嘉敏運用信息學技術，專為機器設計“眼睛”，借鑒了昆蟲復眼精細的振動結構，把龐大復雜的成像問題拆分成一系列并行的小問題，改變了傳統光學設計的理念。

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

清華大學的研究人員利用該儀器在國際上第一次實現了清醒小鼠全腦皮層范圍內亞細胞分辨率的動態觀測;第一次在哺乳動物體內觀測到癌細胞轉移時產生遷移體的亞細胞級動態變化。

吳嘉敏介紹，在癌癥治療研究方面，該技術可幫助臨床醫生在腫瘤切除手術中，實時快速判斷是否切除干凈，也可幫助科學家大范圍觀測腫瘤轉移的過程，研究其機制。

這是清華大學科學家利用多維多尺度計算攝像儀器拍攝的小鼠神經圖片(2018年3月攝)。新華社發(清華大學成像與智能技術實驗室供圖)

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

吳嘉敏說，研制的起始階段非常艱辛，如《桃花源記》中一樣，經過幽深的小徑才突然豁然開朗，像打開一個新世界。“當我們有了新工具，就能看到以往從未見過的‘世界’，研究以前無法解答的問題。希望這能給生命科學家一些新的理解，產生新的思路和研究方法。”

他崇拜發現DNA雙螺旋結構的弗朗西斯·克里克。這位原本研究X射線衍射的科學家把新的工具用到生命科學領域，帶來了重大突破。“我們也想做類似的事情。”

他說，光學是非常古老的學科，信息科學的出現給光學帶來很大改變。在學科大交叉的時代，需要不斷跨入新的領域。吳嘉敏說：“我做研究很大程度是受好奇心驅動，希望可以做獨特的事。”

吳嘉敏希望不斷提高活體介觀顯微成像性能，看得更廣、更清晰、更快，捕捉到更多現象，并能讓新技術得到廣泛應用。目前該團隊已將顯微成像儀器從鋪滿一張桌臺縮小到一個鞋盒大小。這一系列儀器已在支持清華、北大、301醫院等20項創新性科學研究。

該團隊已成立產業化公司，將數字自適應光學技術應用在手機成像、自動駕駛三維感知等領域。此外，這一技術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，實現大范圍高分辨率的觀測。

關鍵詞： 清華大學 智能技術 生命科學 清華大學自動化系 腫瘤轉移