在北京怀柔科学城，能够全景式揭示生命奥秘的国家重大科技基础设施——多模态跨尺度生物医学成像设施刚刚建成。这个被称为“生命观象台”的基础设施，能够打破时空尺度壁垒，从分子事件到器官功能，为生命体拍摄全景式照片和视频，实现生命过程的系统性解码。
要想了解，先要“看到”
生命体是自然界最复杂的物质运动形式，生命健康是社会发展永恒的主题。从极微观到生命个体，生命跨越了10个量级的时空尺度；从大分子到细胞、器官，到整个生命个体，生命表现为十多个层次的复杂结构。
我们经常说，眼见为实。要想揭开生命的奥秘，首先就要“看到”不同时空尺度下生命体变化的过程。
自300多年前人类第一次用显微镜看到细胞以来，成像技术一直是推动生命科学和医学进步的核心动力。从列文虎克显微镜下的微观世界，到现代医院的CT、MRI影像诊断，人类通过不断突破时空分辨率极限，逐步构建起对生命的认知体系。
然而，传统成像技术受限于单一模态或特定尺度，难以实现生命动态过程的系统性解析。
揭示生命奥秘的关键，在于建立从分子、细胞、组织、器官到整个生命个体与群落的跨尺度的整体观，借助跨越宏观、介观和微观各层次的成像技术，获取不同尺度的影像，从而系统性、整体性解析生命动态过程。
生命的系统性、动态性和整体性本质呼唤着革命性观测工具的诞生和方法论的升级。
唯有打破时空尺度壁垒，构建从分子事件到器官功能的全链条可视化体系，才能对生命体的结构与功能进行跨尺度、可视化地观测与精确测量，最终实现生命过程的系统性解码。
2016年前后，我国科学家前瞻性地提出了“多模态跨尺度融合成像”的概念。所谓跨尺度，是指从分子到生命个体，生命跨越了10个量级的时空尺度，覆盖从埃到米（10个数量级）、从毫秒到生命周期的时空范围。多模态，是指光、电、磁、声等诸多物理量，都可以与被观测的细胞、组织等对象发生相互作用，并以影像形式呈现生物样本的固有属性。
多模态跨尺度融合成像，就是要打通尺度壁垒，有机整合不同成像模态，获取从分子到细胞再到人体跨层次的结构和功能信息，实现融合成像，打造一体化的生物医学成像技术集群。
日前，“生命观象台”终于成真——多模态跨尺度生物医学成像设施在北京怀柔科学城通过国家验收！这一设施是“十三五”国家重大科技基础设施建设项目，将为生命科学研究和重大疾病诊治提供全尺度、多模态的成像技术支撑，助力全景式解析生命奥秘。
中国创造，“看到”生命的利器
我国科研团队通过多学科交叉创新，在生物医学成像领域实现了一系列具有国际引领性的技术突破，实现跨越微观、介观、宏观尺度的成像技术与装备创新。从微观的细胞器互作到宏观的脑宇宙图谱，从分子代谢的动态追踪到全身功能的精准解析，成像技术的每一次突破，都深刻重塑了人类对生命本质的认知边界。通过多维度技术革新，为疾病机制解析、新药研发及精准诊疗开辟了前所未有的观察维度，正在重构生命科学与临床医学的研究范式。
活细胞超分辨显微成像技术：透视活细胞中的细胞器。细胞是生命体基本的结构和功能单元，细胞以及细胞器的功能、它们之间相互作用是疾病治疗和药物开发等领域亟须了解的信息。然而，细胞中许多细胞器的结构在纳米量级，由于传统光学成像技术受到光学衍射极限限制，无法观察到纳米量级的生物结构。
自2012年开始，我国科学家发展了一系列活细胞超分辨率成像技术与方法，突破光学衍射极限，实现了1小时以上长时程、564赫兹超快速以及60纳米高空间分辨率的活细胞超分辨成像。这使得我们能够看到原先看不见的东西——在活细胞中，可以看到这些细胞内的细胞器，还能看到这些分子从哪里来，到哪里去。这一技术突破为生命科学研究提供了更高精度的观察工具，具有重要的科学意义和应用价值。未来，该技术在临床诊断、药物开发等应用领域具有巨大潜力。
微型化多光子显微成像技术：映照脑宇宙的星辰大海。大脑是一个极其复杂的小宇宙，包含了百亿级神经元和百万亿级的神经突触，如何打破尺度壁垒，在自由活动的生命体中观测到微观神经元和神经突触活动，是亟待解决的关键挑战。
我国科学家自主研发的微型化多光子显微镜，实现了飞秒激光器的小型化、飞秒激光柔性传输，以及精密的微型化物镜等一系列底层技术的突破，成功研制出2.2克的微型化双光子显微镜以及2.17克微型化三光子显微镜。这些显微镜只有拇指大小，小动物可以戴着跑，在自由行为条件下观测大脑神经元动态的活动，开启了自由行为动物成像新范式。2023年，手持式双光子显微成像系统通过国家创新医疗器械审批，成为中国首个基于双光子原理的医疗器械。未来，微型化多光子技术将在生物医学领域持续释放其潜力，包括实现原位肿瘤细胞的实时观察，进一步推动生命科学和临床医学的发展。
全人体PET/CT设备：开启全身成像革命。PET/CT（正电子发射计算机断层显像/X线计算机体层成像）代表了当代医学影像技术发展的最高水平，通过精确融合人体的解剖结构影像与人体的功能/代谢/生化影像，为临床诊断提供人体各脏器组织结构及功能最为全面的信息，为肿瘤、心脑血管疾病等重大疾病的精准诊疗提供了不可替代的支撑。然而，传统设备长期面临三大技术壁垒：全身扫描需多床位拼接导致成像失真，灵敏度不足制约儿童、孕妇等特殊群体应用，辐射剂量与扫描时长限制进一步临床普及。
我国科学家已突破性研制出全人体PET/CT设备，以2米轴向视野实现“单床位全身成像”革命。该设备采用全数字化探测系统，创新集成7环探测器阵列，在达成小于300皮秒飞行时间分辨率的同时，独创性实现深度探测（DOI）校正功能。这一突破使系统灵敏度较传统设备提升40倍，等效辐射剂量相当于之前的1/40，仅相当于从北京飞往洛杉矶航程中宇宙射线的暴露量，空间分辨率达到国际领先的2毫米。目前，该设备主要用于科研，未来可用于研究药代动力学，观察病人服药以后各个器官的代谢情况。它在中医研究中也颇有价值——例如研究活性成分代谢或经络互作，为中医提供实验依据。
“数字生命”，引领生物医学未来
今天的生命科学，在成像、组学、大数据和人工智能等技术推动下，正迎来以数字化为驱动的研究范式变革。
多模态跨尺度生物医学成像设施通过国家验收，标志着国家“生命观象台”正式投入运行。
借助这个科研平台，我国科研人员将启动“数字生命”计划，通过构建全尺度、多模态成像技术体系，为生命科学前沿探索和重大疾病诊疗提供革命性研究平台。
“数字生命”计划的核心，是以全尺度生物医学成像为基础，融合组学、大数据和人工智能等前沿技术，构建从数字细胞到数字器官（类器官）、数字生命体的全尺度数字化生命模型。
构建模型之后，我们就能通过跨学科交叉研究，揭示生命运行的基本原理，提供创新工具以指导生命元件合成和生命改造。
更进一步，“数字生命”计划将为人体疾病诊防和治疗开辟全新路径，推动颠覆性新兴产业发展，为生物医学科技创新注入强大动力。
这一计划已经迈出第一步——2025年2月，我国科学家与临床专家联合团队发布的“肾脏成像组计划”作为“数字肾脏”大科学计划的开端，将加速推动肾脏医学从“经验驱动”向“数据驱动”转型，探索器官数字生理、病理学研究新范式。
可以说，多模态跨尺度生物医学成像以前所未有的方式融合光、声、电、磁、核素、电子等模态，结合信息与计算技术、大数据与人工智能技术，实现从埃到米、从微秒到生命周期的全景式的结构与功能成像，将有力地支撑大型生命科学与医学研究计划。在科学家与产业界的共同努力下，我国正在引领国际生物医学研究跨越式发展，支撑从基础理论到临床转化的全链条突破，催生“中国创造”的高端生物医学影像仪器装备产业集群，为守护人类健康提供中国方案。
（作者：孙育杰、陈良怡、程和平，分别系北京大学博雅特聘教授；北京大学博雅特聘教授；中国科学院院士、北京大学未来技术学院教授、北京大学国家生物医学成像科学中心主任）
本文链接：http://www.gihot.com/news-8-3980-0.html“生命观象台”，全景揭示生命奥秘
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