7月8日，清華大學自動化系戴瓊海院士領銜的國家自然基金委重大儀器研制團隊在多維多尺度高分辨率計算攝像顯微儀器研制和生命科學觀測領域取得重要成果，以“視頻幀率下厘米尺度微米分辨率的生物動態成像”（Video-rate imaging of biological dynamics at centimeter-scale and micrometer-resolution）為題，在線發表于《自然·光子學》（Nature Photonics）。
圖1.曲面排列的大規模高密度相機陣列實現億級像素的動態視頻觀測，探索哺乳動物全腦神經活動
顯微儀器是生命科學和醫學研究中不可或缺、無法替代的重要工具。具有高時空分辨率的大尺度生物活動顯微成像對于系統生物學研究是不可或缺的。然而，傳統顯微儀器長期受制于視場與分辨率此消彼長的固有矛盾和數據通量瓶頸難題，無法兼顧寬視場和高時空分辨率，制約了生命科學基礎研究和臨床醫學研究的發展。
在這項研究工作中，團隊將光學、微電子、計算機視覺以及信號處理等學科交叉，提出了多尺度曲面中繼協同顯微成像新架構：通過物方平場像方曲場的物鏡將樣本放大到曲面中繼像，像感器陣列分區域同步并行拍攝中繼像近似平場的小區域，經計算重建為無縫的寬視場高分辨率動態圖像序列。基于此架構，研制了“實時超寬場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、全視場均一的1.2微米高分辨率、30幀每秒高幀率，數據通量高達51億像素每秒。
圖2.（a）RUSH成像示意圖及采集重建過程；（b）RUSH視場10毫米×12毫米，可覆蓋整個小鼠全腦；（c）全視場不同區域分辨率分布圖，平均分辨率為1.30±0.08微米，反卷積后達1.2微米
這項工作通過清醒小鼠在體全腦皮層成像等生命科學實驗，對以寬場高分辨動態成像為基礎的腦動態網絡結構、神經血管耦合機制、癲癇病理進行了探索。這項工作為生命科學和醫學研究亟需的顯微儀器研制提供了新思路。該研究工作得到國家自然科學基金重大儀器專項、北京市科委等項目資助。
圖3.小鼠全腦皮層神經活動動態成像結果
論文共同第一作者為清華大學自動化系范靜濤副研究員、索津莉副教授、2014級博士生吳嘉敏、謝浩助理研究員，清華大學為論文第一單位。論文共同通訊作者為清華大學自動化系戴瓊海院士、精儀系孔令杰副教授和浙江大學現代光學儀器國家重點實驗室鄭臻榮教授。