“两组光源系统通过数字计算可进行一系列反射、折射,为拍摄小鼠大脑照明,相当于拍摄时的灯光,确保每一个角落都能被看清。”据范静涛介绍,得益于此,该仪器可以实现空间维度、光谱维度等多维度智能成像。

仪器中很多部件都是柔性的,研究人员可以根据实验需求进行自由组合。

在仪器旁边的桌子上,放置着几台电脑。“这一台是仪器的控制系统,比如这个位移台怎么移动、什么时候开始拍、什么时候停止,等等,都通过这台电脑操纵。”范静涛指着其中一台电脑告诉记者。说罢,他又指着另一台电脑说:“这一台是显示系统,拍摄的画面可以在这个屏幕上实时显示。”

然而,这个在记者眼中已觉十分庞大的主体部分却是该仪器中最小的一块。据介绍,RUSH整体共占了三个房间,除了显微仪器主体外,冷却机、数据计算和存储平台还分别占用了一个房间。

在水冷机房,记者看到了4台冷却机。据介绍,仪器工作时会发热,要想持续获得比较好的成像质量,温度控制十分重要。“通常是控制在10摄氏度左右,靠的就是这4台冷却机,它们通过管线与像感器相连接,借助流水带走热量。”范静涛告诉记者。

水冷机房隔壁的隔音玻璃房,就是数据计算和存储机房。这是RUSH最大的一部分,占地约50平方米。

2 超宽视场 兼顾厘米级视场和百纳米分辨率,既“看得宽”又“分得清”

在生活中,一平方厘米对于我们而言,很小,只有指甲盖般大小。但在脑科学领域,一平方厘米却很大,大到可以覆盖小鼠全脑皮层,拥有成百上千亿个神经元。

借助RUSH,研究人员可以看到小鼠全脑皮层范围的单个神经元,从而揭示其神经网络的活动规律。也就是说,该仪器既可看“点”、又可观“面”,既可观测细节、又可观测系统,这奠定了RUSH视场最大介观光学显微仪器的国际地位。

脑是人类认识自然的“最后疆域”,揭示神经环路的活动规律是了解脑结构和高级功能的必由之路。然而,大脑有成百上千亿个神经元,每个神经元又包含千余个信息收发分支,由于观测仪器的制约,无法获得观测对象的活体全脑高分辨率动态成像数据,数十年始终制约着相关研究取得重大突破。

传统的微观电镜成像,可以观测到神经细胞的精细结构,但无法实现活体观测;宏观功能核磁可以观测动态脑区级功能活动,但因为分辨率不够高,看不到神经细胞。因此,戴琼海团队一开始便瞄准了“介观尺度高通量显微仪器”这一研究方向,目标是实现超宽视场、超高分辨率、超快成像速度,要看得宽、分得清、拍得快、存得下。基于实验动物小鼠大脑直径1厘米、神经元结构微米级、神经活动毫秒级的特性,研发团队将视场和分辨率目标分别设为厘米级、亚微米级。