Cell：对话清华戴琼海院士团队，研发“上帝视角”显微镜

生命科学

Life science

5月25日，清华大学脑与认知科学研究院、自动化系戴琼海团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell上发表了题目为“Iterative tomography with digital adaptive optics permits hour-long intravital observation of 3D subcellular dynamics at millisecond scale”的文章。

研究团队长期从事计算显微领域的研究，此前研发的宽视场高分辨率显微镜RUSH在活体小鼠上首次实现了皮层范围单细胞分辨率的记录。该技术通过借鉴果蝇复眼的光致机械变化效应，在光场显微镜中引入高速振镜的小范围振动，绕过了空间分辨率与角度分辨率的矛盾，以全光子效率实现了非相干荧光信息的孔径合成。此研究还利用了样本时空连续性先验，巧妙地设计了时间权重算法，避免了扫描带来的时间分辨率损失。这一框架无需额外的波前传感器或空间光调制器，将活体内的空间分辨率提升至光学衍射极限。以上技术合称为数字自适应光学扫描光场互迭代层析成像（Digital Adaptive Optics Scanning Lightfield Mutual Iterative Tomography, DAOSLIMIT）。

Cell Press细胞出版社微信公众号对该论文进行了解读，旨在与广大科研人员深入分享该研究成果以及一些未来的展望，点击“阅读原文”或识别下图二维码阅读英文原文。

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研究亮点

1. 研发扫描光场显微镜，实现毫秒级三维亚细胞分辨率成像；

2. 开发数字自适应光学框架，实现高速大范围像差校正；

3. 实现长时间、毫秒级、低光毒性的高速活体成像；

4. 报道了哺乳动物活体内迁移体的运动过程和潜在功能。

论文简介

在生命科学与医学研究中，发现新现象、揭示新机制离不开功能丰富、性能卓越的观测仪器。在哺乳动物体内，对亚细胞级的动态变化进行长时程高速高分辨率的三维观测，对研究其在各种各样生理与病理过程中所起的功能至关重要，尤其在肿瘤和免疫的前沿研究中。这些现象的观测往往需要近光学衍射极限分辨能力，转瞬即逝又跨越很大的时间尺度，隐藏在复杂的三维组织环境中，给现有观测手段带来了前所未有的挑战。哺乳动物活体中三维组织分布、光学像差、光毒性等诸多胶着问题，导致高速亚细胞分辨率长时程活体观测始终难以有效实现，极大地制约了脑科学、肿瘤学与免疫学的深入研究。

清华大学脑与认知科学研究院、自动化系戴琼海团队长期从事计算显微领域的研究，此期研发的宽视场高分辨率显微镜RUSH在活体小鼠上首次实现了皮层范围单细胞分辨率的记录。进一步为了实现长时程高速三维活体观测，团队在此项研究中独辟蹊径地提出了数字自适应光学框架，发明了扫描光场成像技术，历经三年的攻关，研制了扫描光场显微镜。该技术通过借鉴果蝇复眼的光致机械变化效应，在光场显微镜中引入高速振镜的小范围振动，绕过了空间分辨率与角度分辨率的矛盾，以全光子效率实现了非相干荧光信息的孔径合成。此研究还利用了样本时空连续性先验，巧妙地设计了时间权重算法，避免了扫描带来的时间分辨率损失。而在活体成像中，三维空间的样本折射率分布不均导致了严重的光学像差。所提出的一种全新的数字自适应光学成像框架，通过获取到的四维全光信息估计光学像差，并自适应地反向校正波前信息，从而实现大范围自适应光学校正。这一框架无需额外的波前传感器或空间光调制器，将活体内的空间分辨率提升至光学衍射极限。以上技术合称为数字自适应光学扫描光场互迭代层析成像(Digital Adaptive Optics Scanning Lightfield Mutual Iterative Tomography, DAOSLIMIT)。

DAOSLIMIT在225×225×16 μm³的成像视野范围内，以横向220nm和轴向400nm光学衍射极限分辨率，将以毫秒级活体三维连续观测时长从数分钟提高到小时级，活体成像时空分辨率提升两个数量级，光毒性降低三个数量级，为揭示哺乳动物活体多细胞、多细胞器间的相互作用提供了全新路径。

此项工作区别于转盘共聚焦显微镜、双光子显微镜等活体成像技术，巧妙采用了三维体积内同时激发、同时采集的模式，极大地减少了不必要的激光照射，充分利用了每一个光子进行成像。相对于常规显微镜而言，仅需μW量级的激发光强就可获得足够信噪比，使光毒性下降了三个数量级。DAOSLIMIT在225×225×16 μm³的成像视野范围内，在活体复杂环境中保持横向220nm和轴向400nm光学衍射极限分辨率，将以毫秒级活体三维连续观测时长从数分钟提高到小时级，为揭示哺乳动物活体多细胞、多细胞器间的相互作用提供了全新路径。

迁移体（migrasome）是俞立实验室最近发现并命名的新细胞器，现在已知迁移体在胚胎发育，免疫系统稳态维持中起重要作用，在传统显微镜下难以进行清晰高速的捕捉。借助DAOSLIMIT，得以开创哺乳动物活体环境中迁移体功能研究的新领域。研究人员观测到免疫细胞在活体小鼠肝脏血管内运动时会留下许多迁移体。免疫细胞有可能通过产生迁移体实现大范围的信息交流，以及细胞间远距离的作用，预示着一种新的细胞间远程交互的机制。研究人员还在斑马鱼幼虫活体内连续高速长时间观测中发现肿瘤细胞通过囊泡和丝状结构主动适应环境的新现象。

DAOSLIMIT为生命科学和医学研究提供了新路径，未来将进一步促进更多新现象的发现、新机制的揭示，有望助力脑科学、肿瘤、免疫等关乎人民生命健康的重大基础研究产生新的突破。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请论文作者戴琼海院士团队进行了专访，请他们为大家进一步详细解读。

CellPress：

请问哺乳动物细胞内成像的难点在哪里？

戴琼海院士团队：

活体哺乳动物较体外培养的细胞群落、线虫和斑马鱼等模式动物，生命活动的复杂性和多样性更接近人，在哺乳动物上开展生命科学能解决许多独特的问题，但对成像理论和技术也提出了更高的要求。所以，活体哺乳动物细胞成像一直是显微技术和仪器领域悬而未决的问题。成像的难点主要是哺乳动物活体组织特点和生命活动特点所决定的：长时程、高帧率、低光毒性、高分辨率。只有长时程的高速成像观测，才能捕捉到偶发的、低概率的重要现象，但长时程的观测需要持续的荧光激发，会带来较强的光毒性。光毒性带来的细胞损伤限制了传统成像技术的时长，使得高速与长时难以兼得。同时，活体哺乳动物的心跳、呼吸都会带来组织运动，这更需要高帧率来减少运动模糊，避免轴向离焦带来的信号丢失。此外，非透明组织的折射率三维各异性分布和散射效应，也会显著得降低成像分辨率和信噪比。

CellPress：

请问与传统的细胞成像相比，DAOSLIMIT有何特点和优势？

戴琼海院士团队：

DAOSLIMIT建立了扫描光场的新成像架构，提出了非相干孔径合成原理，可在三维体空间内实现高时空分辨率，具备毫秒级的大视场三维成像能力，速度相比于转盘共聚焦提升了两个数量级；荧光激发区域与成像区域在三维空间上完美匹配，提高光利用率降低了光照能量需求，使光毒性相比于转盘共聚焦，双光子显微镜下降了整整三个数量级；数字自适应光学新方法的提出，可确保大视场范围上的动态像差校正，可在活体内保持衍射极限分辨率，提升信噪比。

CellPress：

DAOSLIMIT可适用的物种都有哪些？

戴琼海院士团队：

DAOSLIMIT对染料以及成像环境都没有特殊的要求，一台普通的宽场荧光显微镜就可以通过改装完成升级。从体外培养的细胞群落，到线虫、斑马鱼、以小鼠为代表的哺乳类动物，都可以。大鼠和灵长类动物的实验我们也在同步开展，从成像原理上，DAOSLIMIT也是可以适用的。

CellPress：

目前已使用DAOSLIMIT在哺乳动物中进行了何种研究，效果如何？

戴琼海院士团队：

迁移体（migrasome）是清华大学俞立实验室最近发现并命名的新细胞器，现在已知迁移体在胚胎发育，免疫系统稳态维持中起重要作用，但受制于显微成像技术和仪器的制约，始终没有办法在活体哺乳动物内取得令人满意的成像效果，看不清迁移体变化的时空细节。DAOSLIMIT从理论和技术上突破了活体长时程高分辨率持续高速观测的长期痛点，使得俞立老师的研究工作首次能在活体上开展，我们与俞老师团队合作发现了其在肿瘤转移和免疫反应中的一系列有意思的新现象，同时也在哺乳动物体内的不同器官去验证迁移体可能存在的多种功能，更多的数据也在进一步进行分析与整理，相信会有更多的重要成果在路上。

CellPress：

您认为DAOSLIMIT将会在揭示复杂生物过程中提供怎样的帮助？

戴琼海院士团队：

生命活动的复杂性决定了其最佳观测方式是在活体动物的原位展开，同时要保证观测方式尽可能的不去影响生物过程的真实状态。DAOSLIMIT提供了活体哺乳动物的长时程亚细胞及连续观测能力，这就使得我们能够在复杂生物过程在时间维度上具备了跨尺度的观测能力，比如肿瘤转移，免疫反应，以及神经回路响应，都是一个长期的持续变化的过程，每一个时间段都有不同的表现形式，又需要高速的成像才能捕捉转瞬即逝的细节。肿瘤细胞的很多现象都是比较稀少的过程，他很多时间可能就静静地呆在那里不动，但是受到特别刺激或者影响的时候才有反应，传统方法就很难捕捉到这些一闪而逝的现象，一次捕捉到了也很难重复，这就对科学研究产生了极大的困扰，也限制了我们科学发现的速度。免疫反应也是一样，我们器官组织在受到损伤后的一系列变化，不同时间段不同的免疫细胞都有不同的反应，互相之间还会产生交互与信息传递，这些都既需要快速拍摄还需要长时间追踪才能完整地记录下整个过程，而不是像盲人摸象一样，陷入局部的偏见。我们相信DAOSLIMIT将是揭示复杂生物过程在活体中变化的一大利器，既有助于基础科学研究的发现，也有助于包括药物筛选等等临床应用，对支撑脑科学、肿瘤学与免疫学的深入研究具有重大的意义和深远的影响。

CellPress：

请问目前DAOSLIMIT是否已臻完美？您和您的团队后续的工作重点将在哪里？

戴琼海院士团队：

DAOSLIMIT，仅仅是对，我们在新型成像理论和技术领域长期思考、探索和积累的一个初步验证，距离完美还有很大的提升空间，它还有大量有待挖掘的潜力。我们团队的重点一直都是在多维度多尺度介观成像领域，实现超大范围，高分辨率的长时间高速观测，从而能够以“上帝的视角”从系统的角度去全面地观测生命活动在不同生理与病理条件的变化过程，进而揭示包括大脑工作机理，肿瘤免疫机制等等一系列重要的生命科学问题，我们相信计算显微技术的高速发展将会为生命科学前沿研究做出更多的贡献。

作者简介

戴琼海 

院士

戴琼海，清华大学自动化系教授，清华大学生命科学学院兼职教授，清华大学信息学院院长，清华大学脑与认知科学研究院院长，中国工程院院士，中国人工智能学会理事长。近年来，主持研制了全球视场最大、数据通量最高的多维多尺度高分辨率计算摄像国家重大科研仪器，在清醒动物全脑皮层神经元活动和连接观测等领域取得了系列突破，构建了新型介观脑观测技术与仪器体系，支撑脑科学与医学的新发现，为人工智能发展提供了新途径，以通讯作者在Cell, Nature Photonics, Nature Methods, Nature Machine Intelligence, Patterns等期刊发表多篇文章。

俞立 

教授

俞立：男，博士，清华大学生命科学学院教授，博士生导师。2000年于北京大学取得博士学位，之后赴美国国立卫生研究院从事博士后研究工作，2008年被聘为清华大学生命科学学院教授。自成立实验室以来，一直从事细胞自噬领域的研究。最近，俞立实验室发现了依赖细胞迁移的新细胞现象migracytosis和介导这一过程的新细胞器迁移体， 目前对其机制及功能进行深入的研究。俞立以通讯作者在Science, Cell, Cell Research, Nature Cell Biology, Dev Cell等杂志发表多篇文章。2012年研究成果入选2012年中国科学十大进展，2013年获得谈家桢生命科学创新奖，2021年获中国细胞生物学会杰出成就奖 。俞立于2011年获得国家杰出青年基金，2015年入选长江学者特聘教授。

范静涛 

副研究员

范静涛，博士，清华大学脑与认知科学研究院副研究员，中国仪器仪表学会显微仪器分会理事。主要研究方向为计算摄像和显微仪器。2014-2018年，领导了自然基金委国家重大科学仪器设备研制专项“多维多尺度高分辨率计算摄像仪器”的系统集成工作，与团队共同研制了国际领先的介观光学显微仪器——RUSH（Real-time Ultra-large-Scale imaging at High-resolution macroscope）。2019年起，主持承担自然基金委国家重大科学仪器设备研制专项“双光子计算显微仪器”项目。代表性研究工作先后发表于Cell、Nature Photonics、Nature Machine Intelligence、中国工程院院刊Engineering等，并获得2016年国家科技进步二等奖和多项省部级一等奖。

吴嘉敏 

博士

吴嘉敏，博士，清华大学水木学者，自动化系博士后，2019年于清华大学自动化系获得工学博士学位，师从戴琼海教授，从事信息、光学领域的交叉研究，涉及生物医学成像与全光学计算等。通过设计一系列新型计算光学系统突破传统显微成像局限，首次实现了小鼠全脑范围单细胞水平的神经成像，连续数小时时长的毫秒级三维亚细胞分辨率哺乳动物活体观测等，先后在Nature Photonics, Physical Review Letters，Nature Machine Intelligence，Cell等期刊上发表论文数十篇，拥有多项中国与美国发明专利。

卢志 

博士生

卢志，清华大学自动化系2018级博士生，师从戴琼海教授，主要研究方向为计算光学与显微成像，致力于打造高分辨无损伤活体成像的显微仪器。相关研究成果发表在Cell、Optics Express、OSA Biophotonics等期刊会议上。攻读博士学位期间，曾获国家奖学金、清华大学“未来学者”奖学金、清华大学实验室建设贡献一等奖等荣誉。

姜东 

博士

清华大学水木学者，清华大学结构生物学高精尖创新中心卓越学者。2014年于厦门大学生物技术系获得理学学士学位，2019年于清华大学生物系获得理学博士学位，师从俞立教授。研究方向主要为迁移体在胚胎发育、肿瘤转移、免疫反应及血液稳态等生理及病理过程中的功能。研究成果先后发表于Nature Cell Biology，Cell等。

相关论文信息

研究成果发表在Cell Press旗下Cell 期刊上，点击“阅读全文”或扫描下方二维码查看论文。

▌论文标题：

Iterative tomography with digital adaptive optics permits hour-long intravital observation of 3D subcellular dynamics at millisecond scale

▌论文网址：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00532-8

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.04.029

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