2025年1月，中國工程院院士、清華大學教授戴瓊海團隊自主研發出的新一代介觀活體顯微儀器RUSH3D，被兩院院士評選為2024年中國十大科技進展新聞。科普中國采訪到了該團隊中的盧志博士，以下為采訪實錄：

1. 能為大家介紹一下什么是介觀顯微鏡嗎？

我們這個顯微鏡叫介觀顯微鏡。首先就要說到什么是“介觀”。“介觀”其實是介于微觀和宏觀之間的尺度。

實際上，我們團隊在調研顯微成像相關歷史的時候，發現顯微成像技術基本上沿著兩條路徑發展：一個是在微觀方向上追求看得更精細，比如從看到細胞，到看清細胞器，再到看清細胞器內部的蛋白、分子等，越看越細；另一個維度則是向宏觀方向拓展，希望顯微鏡看到的視野更大。有多大呢？比如最早可能只能看到一個細胞，后來可以看到幾十個、上百個細胞，現在借助一些醫學技術，甚至能看到整個器官組織，乃至整個個體。但在這個過程中，追求看得更廣的同時，往往會損失掉一些信息。比如，當我們看到整個動物器官時，就看不到其中的單個細胞了。

因此我們發現，在微觀和宏觀之間其實存在一個空白地帶，我們把這個空白定義為“介觀”。我們研發介觀顯微鏡，就是希望搭建一座溝通微觀與宏觀的橋梁。

舉個例子，我們想知道一只小鼠在吃飯時，它腦子里在想什么。這需要我們既能觀察小鼠的整個大腦，又能看清大腦內每一個神經元是如何活動和發揮功能的。所以，我們就需要一臺既能觀察小鼠整個大腦皮層所有信息，又能看清其中單個神經元動態變化的顯微鏡。這正是介觀顯微鏡的目標。

2. 介觀顯微鏡在技術上是如何實現觀測這個尺度的？

對，我們其實是采用交叉學科的方式來實現的。

傳統上，顯微鏡主要屬于光學工程領域。單純依靠光學技術，確實會陷入一個瓶頸：要么看得視野大但分辨率低（看不清細節），要么分辨率高（看得清）但視野小。我們如何解決這個問題呢？關鍵就在于交叉學科。在光學技術的基礎上，我們融入了21世紀快速發展的算力和算法，特別是將人工智能技術與光學成像深度融合。因此，我們現在做出來的顯微鏡是“智能顯微鏡”，它集成了多種人工智能增強技術，得以同時實現大視野和高分辨率的目標。

當然，如果僅用純光學的方法，理論上也能制造出類似功能的儀器，但這需要大量非常精密的大口徑鏡片。而光學透鏡的尺寸一旦變大，其加工成本就會變得極其昂貴。例如，加工一個直徑100毫米的彎月形透鏡，成本可能高達幾百萬甚至上千萬。這對于生命科學家來說通常是難以承受的，他們很難獲得如此巨額的資金支持。

因此，我們的技術路線是：使用加工精度要求相對較低的大尺寸鏡片，然后通過人工智能算法來矯正光學像差，最終實現高分辨率的成像。

3. 介觀顯微鏡能為藥物研發帶來怎樣的幫助？

我認為我們的顯微鏡一個很重要的應用是做藥物的活體驗證。

眾所周知，開發一款新藥的周期非常長。其中非常關鍵且耗時漫長的一步，是在藥物研制出來后，需要在小動物身上進行驗證：比如先誘導動物患上目標疾病（造模），再測試藥物是否有效。傳統方法通常需要大量實驗動物（比如同時使用1000只小鼠或狗），讓它們患病，再用藥物治療，最后統計治愈率。這種方式耗時極長，基本需要12-18個月。

現在，借助介觀顯微鏡，我們可以直接在動物體內觀察細胞級別的變化，從而更早期地判斷疾病反應規律。我們可能只需拍攝幾天的影像數據，就能完成過去需要12-18個月才能完成的工作，這就能大幅加速藥物研發進程。

我們目前正在研究一些藥物，比如治療腦中風的藥物，探索其在活體內的成像機制。同時，我們也進行肝臟炎癥、脾臟炎癥等方面的探索。大家知道，很多藥物（除了專門的護肝藥）說明書上都標注了“可能對肝臟造成炎癥損害”的副作用。我們利用這臺儀器，可以觀察肝臟炎癥過程中具體是哪些細胞在起關鍵作用，并探索能否通過其他干預方式，抑制藥物引發的肝臟炎癥影響。這樣，未來的藥物就可能不再具有肝毒性，避免對肝臟造成損害。

這其實涉及到信息的獲取（如何采集數據）和處理（如何分析數據）兩個維度。

4. 現在的介觀成像技術發展得如何，使用成本高嗎？

是的，國際上確實也有不少團隊在向介觀活體成像這個方向努力，各家的技術方案有所不同。

有些科學家采用純光學手段制造傳統透鏡來實現，其成本可能非常昂貴。雖然也能做出一些舉世矚目的成果，但這些技術在真正推廣應用時會遇到困難——并非每個生物實驗室都負擔得起搭建如此昂貴科學儀器的成本。這樣的技術就很難讓更多人受益。

我們團隊始終堅持的理念是：開發的技術必須能讓科研人員真正用得起、用得上，并能利用它去揭示生命科學和醫學領域的重要發現。這對我們而言，技術才更有價值。

舉例來說，制造一個兼具超高分辨率和超大視野的傳統光學鏡頭，成本基本在千萬元級別。而且它還涉及良品率的問題，比如投產5個，可能只有1個能達到最終標準，因此單個鏡頭的實際成本可能高達數千萬甚至上億元。

而我們目前的技術路線，是采用相對普通的加工工藝。我們加工的鏡頭成本大約不到10萬元，就能實現介觀活體成像所需的物鏡功能。這樣，就將經濟成本降低了近百倍。

本文為科普中國·創作培育計劃扶持作品

受訪人：盧志

審核：李金華 中國科學院地質與地球物理研究所 研究員

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 科普中國創作培育計劃

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