自動(dòng)化系戴瓊海院士基金委重大儀器團(tuán)隊(duì)發(fā)文報(bào)道計(jì)算攝像顯微新進(jìn)展

清華新聞網(wǎng)7月10日電 7月8日，清華大學(xué)自動(dòng)化系戴瓊海院士領(lǐng)銜的國(guó)家自然基金委重大儀器研制團(tuán)隊(duì)在多維多尺度高分辨率計(jì)算攝像顯微儀器研制和生命科學(xué)觀(guān)測(cè)領(lǐng)域取得重要成果，以“視頻幀率下厘米尺度微米分辨率的生物動(dòng)態(tài)成像”（Video-rate imaging of biological dynamics at centimeter-scale and micrometer-resolution）為題，在線(xiàn)發(fā)表于《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）上。 

圖1.曲面排列的大規(guī)模高密度相機(jī)陣列實(shí)現(xiàn)億級(jí)像素的動(dòng)態(tài)視頻觀(guān)測(cè)，探索哺乳動(dòng)物全腦神經(jīng)活動(dòng)

顯微儀器是生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究中不可或缺、無(wú)法替代的重要工具。具有高時(shí)空分辨率的大尺度生物活動(dòng)顯微成像對(duì)于系統(tǒng)生物學(xué)研究是不可或缺的。然而，傳統(tǒng)顯微儀器長(zhǎng)期受制于視場(chǎng)與分辨率此消彼長(zhǎng)的固有矛盾和數(shù)據(jù)通量瓶頸難題，無(wú)法兼顧寬視場(chǎng)和高時(shí)空分辨率，制約了生命科學(xué)基礎(chǔ)研究和臨床醫(yī)學(xué)研究的發(fā)展。

在這項(xiàng)研究工作中，團(tuán)隊(duì)將光學(xué)、微電子、計(jì)算機(jī)視覺(jué)以及信號(hào)處理等學(xué)科交叉，提出了多尺度曲面中繼協(xié)同顯微成像新架構(gòu)：通過(guò)物方平場(chǎng)像方曲場(chǎng)的物鏡將樣本放大到曲面中繼像，像感器陣列分區(qū)域同步并行拍攝中繼像近似平場(chǎng)的小區(qū)域，經(jīng)計(jì)算重建為無(wú)縫的寬視場(chǎng)高分辨率動(dòng)態(tài)圖像序列?；诖思軜?gòu)，研制了“實(shí)時(shí)超寬場(chǎng)高分辨率成像顯微鏡”（Real-time, Ultra-large-Scale, imaging at High-resolution macroscope，RUSH），兼具1厘米×1.2厘米超寬視場(chǎng)、全視場(chǎng)均一的1.2微米高分辨率、30幀每秒高幀率，數(shù)據(jù)通量高達(dá)51億像素每秒。 

圖2.（a）RUSH成像示意圖及采集重建過(guò)程；（b）RUSH視場(chǎng)10毫米×12毫米，可覆蓋整個(gè)小鼠全腦；（c）全視場(chǎng)不同區(qū)域分辨率分布圖，平均分辨率為1.30±0.08微米，反卷積后達(dá)1.2微米

這項(xiàng)工作通過(guò)清醒小鼠在體全腦皮層成像等生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)以寬場(chǎng)高分辨動(dòng)態(tài)成像為基礎(chǔ)的腦動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、神經(jīng)血管耦合機(jī)制、癲癇病理進(jìn)行了探索。這項(xiàng)工作為生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究亟需的顯微儀器研制提供了新思路。該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金重大儀器專(zhuān)項(xiàng)、北京市科委等項(xiàng)目資助。 

圖3.小鼠全腦皮層神經(jīng)活動(dòng)動(dòng)態(tài)成像結(jié)果

論文共同第一作者為清華大學(xué)自動(dòng)化系范靜濤副研究員、索津莉副教授、2014級(jí)博士生吳嘉敏、謝浩助理研究員，清華大學(xué)為論文第一單位。論文共同通訊作者為清華大學(xué)自動(dòng)化系戴瓊海院士、精儀系孔令杰副教授和浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鄭臻榮教授。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41566-019-0474-7

供稿：自動(dòng)化系

編輯：李華山

審核：周襄楠