在北京懷柔科學城，能夠全景式揭示生命奧秘的國家重大科技基礎設施——多模態跨尺度生物醫學成像設施剛剛建成。這個被稱為“生命觀象臺”的基礎設施，能夠打破時空尺度壁壘，從分子事件到器官功能，為生命體拍攝全景式照片和視頻，實現生命過程的系統性解碼。
要想了解，先要“看到”
生命體是自然界最復雜的物質運動形式，生命健康是社會發展永恒的主題。從極微觀到生命個體，生命跨越了10個量級的時空尺度；從大分子到細胞、器官，到整個生命個體，生命表現為十多個層次的復雜結構。
我們經常說，眼見為實。要想揭開生命的奧秘，首先就要“看到”不同時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胞以來，成像技術一直是推動生命科學和醫學進步的核心動力。從列文虎克顯微鏡下的微觀世界，到現代醫院的CT、MRI影像診斷，人類通過不斷突破時空分辨率極限，逐步構建起對生命的認知體系。
然而，傳統成像技術受限于單一模態或特定尺度，難以實現生命動態過程的系統性解析。
揭示生命奧秘的關鍵，在于建立從分子、細胞、組織、器官到整個生命個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，獲取不同尺度的影像，從而系統性、整體性解析生命動態過程。
生命的系統性、動態性和整體性本質呼喚著革命性觀測工具的誕生和方法論的升級。
唯有打破時空尺度壁壘，構建從分子事件到器官功能的全鏈條可視化體系，才能對生命體的結構與功能進行跨尺度、可視化地觀測與精確測量，最終實現生命過程的系統性解碼。
2016年前后，我國科學家前瞻性地提出了“多模態跨尺度融合成像”的概念。所謂跨尺度，是指從分子到生命個體，生命跨越了10個量級的時空尺度，覆蓋從埃到米（10個數量級）、從毫秒到生命周期的時空范圍。多模態，是指光、電、磁、聲等諸多物理量，都可以與被觀測的細胞、組織等對象發生相互作用，并以影像形式呈現生物樣本的固有屬性。
多模態跨尺度融合成像，就是要打通尺度壁壘，有機整合不同成像模態，獲取從分子到細胞再到人體跨層次的結構和功能信息，實現融合成像，打造一體化的生物醫學成像技術集群。
日前，“生命觀象臺”終于成真——多模態跨尺度生物醫學成像設施在北京懷柔科學城通過國家驗收！這一設施是“十三五”國家重大科技基礎設施建設項目，將為生命科學研究和重大疾病診治提供全尺度、多模態的成像技術支撐，助力全景式解析生命奧秘。
中國創造，“看到”生命的利器
我國科研團隊通過多學科交叉創新，在生物醫學成像領域實現了一系列具有國際引領性的技術突破，實現跨越微觀、介觀、宏觀尺度的成像技術與裝備創新。從微觀的細胞器互作到宏觀的腦宇宙圖譜，從分子代謝的動態追蹤到全身功能的精準解析，成像技術的每一次突破，都深刻重塑了人類對生命本質的認知邊界。通過多維度技術革新，為疾病機制解析、新藥研發及精準診療開辟了前所未有的觀察維度，正在重構生命科學與臨床醫學的研究范式。
活細胞超分辨顯微成像技術：透視活細胞中的細胞器。細胞是生命體基本的結構和功能單元，細胞以及細胞器的功能、它們之間相互作用是疾病治療和藥物開發等領域亟須了解的信息。然而，細胞中許多細胞器的結構在納米量級，由于傳統光學成像技術受到光學衍射極限限制，無法觀察到納米量級的生物結構。
自2012年開始，我國科學家發展了一系列活細胞超分辨率成像技術與方法，突破光學衍射極限，實現了1小時以上長時程、564赫茲超快速以及60納米高空間分辨率的活細胞超分辨成像。這使得我們能夠看到原先看不見的東西——在活細胞中，可以看到這些細胞內的細胞器，還能看到這些分子從哪里來，到哪里去。這一技術突破為生命科學研究提供了更高精度的觀察工具，具有重要的科學意義和應用價值。未來，該技術在臨床診斷、藥物開發等應用領域具有巨大潛力。
微型化多光子顯微成像技術：映照腦宇宙的星辰大海。大腦是一個極其復雜的小宇宙，包含了百億級神經元和百萬億級的神經突觸，如何打破尺度壁壘，在自由活動的生命體中觀測到微觀神經元和神經突觸活動，是亟待解決的關鍵挑戰。
我國科學家自主研發的微型化多光子顯微鏡，實現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，小動物可以戴著跑，在自由行為條件下觀測大腦神經元動態的活動，開啟了自由行為動物成像新范式。2023年，手持式雙光子顯微成像系統通過國家創新醫療器械審批，成為中國首個基于雙光子原理的醫療器械。未來，微型化多光子技術將在生物醫學領域持續釋放其潛力，包括實現原位腫瘤細胞的實時觀察，進一步推動生命科學和臨床醫學的發展。
全人體PET/CT設備：開啟全身成像革命。PET/CT（正電子發射計算機斷層顯像/X線計算機體層成像）代表了當代醫學影像技術發展的最高水平，通過精確融合人體的解剖結構影像與人體的功能/代謝/生化影像，為臨床診斷提供人體各臟器組織結構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診療提供了不可替代的支撐。然而，傳統設備長期面臨三大技術壁壘：全身掃描需多床位拼接導致成像失真，靈敏度不足制約兒童、孕婦等特殊群體應用，輻射劑量與掃描時長限制進一步臨床普及。
我國科學家已突破性研制出全人體PET/CT設備，以2米軸向視野實現“單床位全身成像”革命。該設備采用全數字化探測系統，創新集成7環探測器陣列，在達成小于300皮秒飛行時間分辨率的同時，獨創性實現深度探測（DOI）校正功能。這一突破使系統靈敏度較傳統設備提升40倍，等效輻射劑量相當于之前的1/40，僅相當于從北京飛往洛杉磯航程中宇宙射線的暴露量，空間分辨率達到國際領先的2毫米。目前，該設備主要用于科研，未來可用于研究藥代動力學，觀察病人服藥以后各個器官的代謝情況。它在中醫研究中也頗有價值——例如研究活性成分代謝或經絡互作，為中醫提供實驗依據。
“數字生命”，引領生物醫學未來
今天的生命科學，在成像、組學、大數據和人工智能等技術推動下，正迎來以數字化為驅動的研究范式變革。
多模態跨尺度生物醫學成像設施通過國家驗收，標志著國家“生命觀象臺”正式投入運行。
借助這個科研平臺，我國科研人員將啟動“數字生命”計劃，通過構建全尺度、多模態成像技術體系，為生命科學前沿探索和重大疾病診療提供革命性研究平臺。
“數字生命”計劃的核心，是以全尺度生物醫學成像為基礎，融合組學、大數據和人工智能等前沿技術，構建從數字細胞到數字器官（類器官）、數字生命體的全尺度數字化生命模型。
構建模型之后，我們就能通過跨學科交叉研究，揭示生命運行的基本原理，提供創新工具以指導生命元件合成和生命改造。
更進一步，“數字生命”計劃將為人體疾病診防和治療開辟全新路徑，推動顛覆性新興產業發展，為生物醫學科技創新注入強大動力。
這一計劃已經邁出第一步——2025年2月，我國科學家與臨床專家聯合團隊發布的“腎臟成像組計劃”作為“數字腎臟”大科學計劃的開端，將加速推動腎臟醫學從“經驗驅動”向“數據驅動”轉型，探索器官數字生理、病理學研究新范式。
可以說，多模態跨尺度生物醫學成像以前所未有的方式融合光、聲、電、磁、核素、電子等模態，結合信息與計算技術、大數據與人工智能技術，實現從埃到米、從微秒到生命周期的全景式的結構與功能成像，將有力地支撐大型生命科學與醫學研究計劃。在科學家與產業界的共同努力下，我國正在引領國際生物醫學研究跨越式發展，支撐從基礎理論到臨床轉化的全鏈條突破，催生“中國創造”的高端生物醫學影像儀器裝備產業集群，為守護人類健康提供中國方案。
（作者：孫育杰、陳良怡、程和平，分別系北京大學博雅特聘教授；北京大學博雅特聘教授；中國科學院院士、北京大學未來技術學院教授、北京大學國家生物醫學成像科學中心主任）
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