在北京懷柔科學(xué)城，能夠全景式揭示生命奧秘的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施剛剛建成。這個(gè)被稱為“生命觀象臺(tái)”的基礎(chǔ)設(shè)施，能夠打破時(shí)空尺度壁壘，從分子事件到器官功能，為生命體拍攝全景式照片和視頻，實(shí)現(xiàn)生命過程的系統(tǒng)性解碼。
要想了解，先要“看到”
生命體是自然界最復(fù)雜的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式，生命健康是社會(huì)發(fā)展永恒的主題。從極微觀到生命個(gè)體，生命跨越了10個(gè)量級(jí)的時(shí)空尺度；從大分子到細(xì)胞、器官，到整個(gè)生命個(gè)體，生命表現(xiàn)為十多個(gè)層次的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
我們經(jīng)常說，眼見為實(shí)。要想揭開生命的奧秘，首先就要“看到”不同時(shí)空尺度下生命體變化的過程。
自300多年前人類第一次用顯微鏡看到細(xì)胞以來，成像技術(shù)一直是推動(dòng)生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)進(jìn)步的核心動(dòng)力。從列文虎克顯微鏡下的微觀世界，到現(xiàn)代醫(yī)院的CT、MRI影像診斷，人類通過不斷突破時(shí)空分辨率極限，逐步構(gòu)建起對(duì)生命的認(rèn)知體系。
然而，傳統(tǒng)成像技術(shù)受限于單一模態(tài)或特定尺度，難以實(shí)現(xiàn)生命動(dòng)態(tài)過程的系統(tǒng)性解析。
揭示生命奧秘的關(guān)鍵，在于建立從分子、細(xì)胞、組織、器官到整個(gè)生命個(gè)體與群落的跨尺度的整體觀，借助跨越宏觀、介觀和微觀各層次的成像技術(shù)，獲取不同尺度的影像，從而系統(tǒng)性、整體性解析生命動(dòng)態(tài)過程。
生命的系統(tǒng)性、動(dòng)態(tài)性和整體性本質(zhì)呼喚著革命性觀測工具的誕生和方法論的升級(jí)。
唯有打破時(shí)空尺度壁壘，構(gòu)建從分子事件到器官功能的全鏈條可視化體系，才能對(duì)生命體的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行跨尺度、可視化地觀測與精確測量，最終實(shí)現(xiàn)生命過程的系統(tǒng)性解碼。
2016年前后，我國科學(xué)家前瞻性地提出了“多模態(tài)跨尺度融合成像”的概念。所謂跨尺度，是指從分子到生命個(gè)體，生命跨越了10個(gè)量級(jí)的時(shí)空尺度，覆蓋從埃到米（10個(gè)數(shù)量級(jí)）、從毫秒到生命周期的時(shí)空范圍。多模態(tài)，是指光、電、磁、聲等諸多物理量，都可以與被觀測的細(xì)胞、組織等對(duì)象發(fā)生相互作用，并以影像形式呈現(xiàn)生物樣本的固有屬性。
多模態(tài)跨尺度融合成像，就是要打通尺度壁壘，有機(jī)整合不同成像模態(tài)，獲取從分子到細(xì)胞再到人體跨層次的結(jié)構(gòu)和功能信息，實(shí)現(xiàn)融合成像，打造一體化的生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)集群。
日前，“生命觀象臺(tái)”終于成真——多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施在北京懷柔科學(xué)城通過國家驗(yàn)收！這一設(shè)施是“十三五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，將為生命科學(xué)研究和重大疾病診治提供全尺度、多模態(tài)的成像技術(shù)支撐，助力全景式解析生命奧秘。
中國創(chuàng)造，“看到”生命的利器
我國科研團(tuán)隊(duì)通過多學(xué)科交叉創(chuàng)新，在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了一系列具有國際引領(lǐng)性的技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)跨越微觀、介觀、宏觀尺度的成像技術(shù)與裝備創(chuàng)新。從微觀的細(xì)胞器互作到宏觀的腦宇宙圖譜，從分子代謝的動(dòng)態(tài)追蹤到全身功能的精準(zhǔn)解析，成像技術(shù)的每一次突破，都深刻重塑了人類對(duì)生命本質(zhì)的認(rèn)知邊界。通過多維度技術(shù)革新，為疾病機(jī)制解析、新藥研發(fā)及精準(zhǔn)診療開辟了前所未有的觀察維度，正在重構(gòu)生命科學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)的研究范式。
活細(xì)胞超分辨顯微成像技術(shù)：透視活細(xì)胞中的細(xì)胞器。細(xì)胞是生命體基本的結(jié)構(gòu)和功能單元，細(xì)胞以及細(xì)胞器的功能、它們之間相互作用是疾病治療和藥物開發(fā)等領(lǐng)域亟須了解的信息。然而，細(xì)胞中許多細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)在納米量級(jí)，由于傳統(tǒng)光學(xué)成像技術(shù)受到光學(xué)衍射極限限制，無法觀察到納米量級(jí)的生物結(jié)構(gòu)。
自2012年開始，我國科學(xué)家發(fā)展了一系列活細(xì)胞超分辨率成像技術(shù)與方法，突破光學(xué)衍射極限，實(shí)現(xiàn)了1小時(shí)以上長時(shí)程、564赫茲超快速以及60納米高空間分辨率的活細(xì)胞超分辨成像。這使得我們能夠看到原先看不見的東西——在活細(xì)胞中，可以看到這些細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞器，還能看到這些分子從哪里來，到哪里去。這一技術(shù)突破為生命科學(xué)研究提供了更高精度的觀察工具，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。未來，該技術(shù)在臨床診斷、藥物開發(fā)等應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大潛力。
微型化多光子顯微成像技術(shù)：映照腦宇宙的星辰大海。大腦是一個(gè)極其復(fù)雜的小宇宙，包含了百億級(jí)神經(jīng)元和百萬億級(jí)的神經(jīng)突觸，如何打破尺度壁壘，在自由活動(dòng)的生命體中觀測到微觀神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動(dòng)，是亟待解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
我國科學(xué)家自主研發(fā)的微型化多光子顯微鏡，實(shí)現(xiàn)了飛秒激光器的小型化、飛秒激光柔性傳輸，以及精密的微型化物鏡等一系列底層技術(shù)的突破，成功研制出2.2克的微型化雙光子顯微鏡以及2.17克微型化三光子顯微鏡。這些顯微鏡只有拇指大小，小動(dòng)物可以戴著跑，在自由行為條件下觀測大腦神經(jīng)元?jiǎng)討B(tài)的活動(dòng)，開啟了自由行為動(dòng)物成像新范式。2023年，手持式雙光子顯微成像系統(tǒng)通過國家創(chuàng)新醫(yī)療器械審批，成為中國首個(gè)基于雙光子原理的醫(yī)療器械。未來，微型化多光子技術(shù)將在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域持續(xù)釋放其潛力，包括實(shí)現(xiàn)原位腫瘤細(xì)胞的實(shí)時(shí)觀察，進(jìn)一步推動(dòng)生命科學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展。
全人體PET/CT設(shè)備：開啟全身成像革命。PET/CT（正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像/X線計(jì)算機(jī)體層成像）代表了當(dāng)代醫(yī)學(xué)影像技術(shù)發(fā)展的最高水平，通過精確融合人體的解剖結(jié)構(gòu)影像與人體的功能/代謝/生化影像，為臨床診斷提供人體各臟器組織結(jié)構(gòu)及功能最為全面的信息，為腫瘤、心腦血管疾病等重大疾病的精準(zhǔn)診療提供了不可替代的支撐。然而，傳統(tǒng)設(shè)備長期面臨三大技術(shù)壁壘：全身掃描需多床位拼接導(dǎo)致成像失真，靈敏度不足制約兒童、孕婦等特殊群體應(yīng)用，輻射劑量與掃描時(shí)長限制進(jìn)一步臨床普及。
我國科學(xué)家已突破性研制出全人體PET/CT設(shè)備，以2米軸向視野實(shí)現(xiàn)“單床位全身成像”革命。該設(shè)備采用全數(shù)字化探測系統(tǒng)，創(chuàng)新集成7環(huán)探測器陣列，在達(dá)成小于300皮秒飛行時(shí)間分辨率的同時(shí)，獨(dú)創(chuàng)性實(shí)現(xiàn)深度探測（DOI）校正功能。這一突破使系統(tǒng)靈敏度較傳統(tǒng)設(shè)備提升40倍，等效輻射劑量相當(dāng)于之前的1/40，僅相當(dāng)于從北京飛往洛杉磯航程中宇宙射線的暴露量，空間分辨率達(dá)到國際領(lǐng)先的2毫米。目前，該設(shè)備主要用于科研，未來可用于研究藥代動(dòng)力學(xué)，觀察病人服藥以后各個(gè)器官的代謝情況。它在中醫(yī)研究中也頗有價(jià)值——例如研究活性成分代謝或經(jīng)絡(luò)互作，為中醫(yī)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
“數(shù)字生命”，引領(lǐng)生物醫(yī)學(xué)未來
今天的生命科學(xué)，在成像、組學(xué)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)推動(dòng)下，正迎來以數(shù)字化為驅(qū)動(dòng)的研究范式變革。
多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施通過國家驗(yàn)收，標(biāo)志著國家“生命觀象臺(tái)”正式投入運(yùn)行。
借助這個(gè)科研平臺(tái)，我國科研人員將啟動(dòng)“數(shù)字生命”計(jì)劃，通過構(gòu)建全尺度、多模態(tài)成像技術(shù)體系，為生命科學(xué)前沿探索和重大疾病診療提供革命性研究平臺(tái)。
“數(shù)字生命”計(jì)劃的核心，是以全尺度生物醫(yī)學(xué)成像為基礎(chǔ)，融合組學(xué)、大數(shù)據(jù)和人工智能等前沿技術(shù)，構(gòu)建從數(shù)字細(xì)胞到數(shù)字器官（類器官）、數(shù)字生命體的全尺度數(shù)字化生命模型。
構(gòu)建模型之后，我們就能通過跨學(xué)科交叉研究，揭示生命運(yùn)行的基本原理，提供創(chuàng)新工具以指導(dǎo)生命元件合成和生命改造。
更進(jìn)一步，“數(shù)字生命”計(jì)劃將為人體疾病診防和治療開辟全新路徑，推動(dòng)顛覆性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為生物醫(yī)學(xué)科技創(chuàng)新注入強(qiáng)大動(dòng)力。
這一計(jì)劃已經(jīng)邁出第一步——2025年2月，我國科學(xué)家與臨床專家聯(lián)合團(tuán)隊(duì)發(fā)布的“腎臟成像組計(jì)劃”作為“數(shù)字腎臟”大科學(xué)計(jì)劃的開端，將加速推動(dòng)腎臟醫(yī)學(xué)從“經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)”向“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”轉(zhuǎn)型，探索器官數(shù)字生理、病理學(xué)研究新范式。
可以說，多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像以前所未有的方式融合光、聲、電、磁、核素、電子等模態(tài)，結(jié)合信息與計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從埃到米、從微秒到生命周期的全景式的結(jié)構(gòu)與功能成像，將有力地支撐大型生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)研究計(jì)劃。在科學(xué)家與產(chǎn)業(yè)界的共同努力下，我國正在引領(lǐng)國際生物醫(yī)學(xué)研究跨越式發(fā)展，支撐從基礎(chǔ)理論到臨床轉(zhuǎn)化的全鏈條突破，催生“中國創(chuàng)造”的高端生物醫(yī)學(xué)影像儀器裝備產(chǎn)業(yè)集群，為守護(hù)人類健康提供中國方案。
（作者：孫育杰、陳良怡、程和平，分別系北京大學(xué)博雅特聘教授；北京大學(xué)博雅特聘教授；中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院教授、北京大學(xué)國家生物醫(yī)學(xué)成像科學(xué)中心主任）
本文鏈接：http://m.enbeike.cn/news-8-3980-0.html“生命觀象臺(tái)”，全景揭示生命奧秘
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