導語：作為2024年中國國際服務貿易交易會重要組成部分之一，國家衛生健康委員會百姓健康頻道(CHTV)於9月13日在京舉辦“2024首都國際醫學大會的平行論壇——數智醫療與醫學人工智能創新論壇”。
在此次大會上，中國科學院院士、北京大學未來技術學院教授程和平將在現場做題為“數字生命”的主旨報告。程和平院士長期致力於鈣信號、線粒體生物醫學領域的研究，以及高端生物醫學儀器的自主創製。人工智能時代的到來，為生命科學的研究帶來了哪些新突破和新思路?程和平院士又將如何帶你看見生命力?
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微觀世界的秘密
當我們在進行各項生命活動的時候，細胞等微觀世界會有怎樣的變化?這一直是科學家探究生命奧秘的一大疑問。程和平院士正是其中一員，對於“鈣火花”和“線粒體炫”的發現，奠定了他在這一領域的重要地位。
早在1993年，他發現並命名細胞鈣信號轉導的基本單位“鈣火花(Calcium Spark)”。這篇發表在《Science》的論文[1]指出,鈣火花是心肌細胞中由肌漿網鈣釋放通道引起的局部鈣濃度短暫增加的現象，對心肌的興奮-收縮耦聯至關重要。這些火花可以自發產生，也可以由電壓門控的L型鈣通道觸發。這一研究揭示了心肌細胞內鈣信號傳導的精細調控機製，有助於我們理解與疾病相關的突變的機製，並為心力衰竭、高血壓和糖尿病等疾病的治療提供了新的治療選擇。而這篇原始論文也被英國Physiological News譽為有史以來“十篇最傑出的心肌研究論文”之一。
對於“線粒體炫”的研究，是程和平院士探尋微觀世界的另一裏程碑。這篇發表在《Cell》的文章[2]顯示，在靜止的細胞中，線粒體是活性氧(ROS)的主要來源，這些ROS由電子傳遞鏈(ETC)的泄漏產生。高水平的ROS可以觸發細胞死亡，而較低水平的ROS則驅動多種重要的細胞功能。而新研究發現，單個線粒體會發生自發的超氧爆發，這被稱為“線粒體炫”。這些發現為理解線粒體在突觸可塑性中的角色提供了新的見解，並可能有助於開發針對氧化應激相關疾病的新療法。
微觀世界的研究和探索固然重要，但宏觀層麵的思考也不容小覷。從小到10微米的細胞到整個人體小宇宙，科學家們有哪些新思考?這類研究跨越了10個數量級的空間尺度、10個數量級的時間尺度和10個不同的層級，又有哪些新思維和範式正在逐漸形成?我們期待程院士的現場解讀。
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讓“看見”更進一步
通過什麼方式去看見微觀世界?生物醫學成像技術是答案。
X射線、CT 計算機斷層成像、電子顯微鏡、MRI 磁共振成像、超高分辨率顯微成像……如今耳熟能詳的名詞，背後卻是一個個諾貝爾獎的誕生，還有，生物醫學成像所經曆的革命性變化。對於程和平院士而言，多光子成像是他看見微觀世界的方式。
1992年，在馬裏蘭大學讀研究生的程和平看到了世界上第二台雙光子顯微鏡，足足有一個屋子那麼大。2013年，程和平申請了國家重大科研儀器研製項目，正式開啟高端生物醫學儀器的自主創製之路。
2017年，第一代微型化雙光子顯微鏡成功問世，重量僅為2.2克。這一成果被科技部評選的2017年度“中國科學十大進展”。通過這個儀器，人們能夠獲得自由活動小鼠大腦皮層神經元和神經突觸活動的動態圖像。2018年，《Nature Methods》公布年度方法，“無限製行為動物成像”榜上有名。
2021年，程和平團隊研製出第二代微型雙光子顯微鏡。這一次，其視野擴大了7.8倍，具備三維成像能力，可獲取大腦皮層上千個神經元功能的信號。
同樣是在2021年，新版微型化三光子顯微鏡誕生。相比於雙光子顯微鏡，它的成像深度有數量級的提升，從大腦皮層到胼胝體，一直能看到海馬體的神經元。更為重要的是，它的重量僅有2.17克、直徑僅有3.4毫米。2023年2月23日，這一研究成果在《Nature Methods》雜誌上成功發表。
值得一提的是，2022年11月，世界上首台進入太空的雙光子顯微鏡也是出自程和平團隊之手。它成功實現了在太空采集航天員皮膚結構及細胞的三維分布影像。
一個個成果的取得，也標誌著人們“看見”微觀世界的能力逐步加深。
以對視交叉上核(SCN)的研究為例，由於SCN核團非常致密，散射現象也很嚴重。即便是雙光子顯微鏡，想看核團，仍然是個難題。這時候，程和平團隊與北京大學電子學院王愛民副教授團隊開發出雙側雙光子顯微鏡(Dual Objective Two-photon Microscope，Duo-2P)，通過正置/倒置共振掃描雙光子顯微鏡解決了這一難題。從而實現了對近萬顆神經鈣活動的跨晝夜成像，為“破譯”SCN的時間編碼機製提供了強有力的保障。
那麼，這一係列成就背後，都有著怎樣的故事?在多光子成像的應用中，有哪些具體的場景?在9月13日“2024首都國際醫學大會的平行論壇——數智醫療與醫學人工智能創新論壇”上，我們將聽到程和平院士的深刻解讀。
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讓“看見”更有生命力
通過多光子成像，人們看到了一個更為精彩的世界。它是生命力的體現，而最終也應該讓生命更美好。
為了更好地分析多光子成像的數據，人工智能(AI)發揮了它強大的力量。程和平團隊對於SCN的研究便是一個很好的例子。雙側雙光子顯微鏡采集到的龐大數據說明了什麼問題?人腦已經完全“宕機”的時候，AI開始工作了。要探尋神經元的活動在時間層麵的關係，就用深度學習技術。先訓練再驗證，把群神經元進行分類再研究，最終得到了答案。要探尋空間功能表征，就進行聚類，運用層次化對比學習。
AI技術最終到達了傳統方法沒法到達的邊界。然而，這其中有一個很重要的問題——算力怎麼解決?
這時候，多模態跨尺度生物醫學成像設施開始發揮力量。在北京懷柔，這項總耗資超17億的項目，光新建建築麵積達到了72000平方米。在這艘“科技航母”上，細胞成像樓、醫學成像樓、全尺度整合中心等一應俱全。其中，全尺度數據處理中心正是給SCN相關研究提供了幾千萬乃至上億的算力。
科學研究的終點是實際運用，多光子成像的相關研究也是如此。小到一項成果的轉化，就可為患者帶來福音。在中日友好醫院，醫生已經開始利用雙光子顯微鏡，去看皮膚細胞的細微結構及其功能。它甚至可以幫助醫生得到皮膚細胞的氧化還原狀態，助力疾病的診斷治療和效果評估。
為了促進更多的研究轉化，程和平著手建立了北京大學分子醫學南京轉化研究院。在這個全景式、高通量、一站式服務平台上，團隊最新的雙光子顯微鏡提供了全景式的觀測體係。此外，從動物製備到成像觀測到數據服務一體化，這裏還為中國的科學家提供了最全麵最先進的相關服務。
未來，還有哪些研究會給老百姓帶來實實在在的福利?在科研轉化道路上，程和平院士及其團隊有哪些小妙招?對於人工智能，多光子成像技術又會與其擦出怎樣的火花?讓我們共同期待兩天後與程院士的相聚。9月13日，“2024首都國際醫學大會的平行論壇——數智醫療與醫學人工智能創新論壇”，不見不散!
參考資料：
[1]H Cheng, W J Lederer*, M B Cannell. Calcium sparks: Elementary events underlying excitation-contraction coupling in heart muscle, Science, 1993, 262(5134):740-744.
[2]W Wang*, H Fang, L Groom, A Cheng, W Zhang, J Liu, X Wang, K Li, P Han, M Zheng, J Yin, W Wang, M P Mattson, J P Y Kao, E G Lakatta, S-S Sheu, K Ouyang, J Chen, R T Dirksen, H Cheng*. Superoxide flashes in single mitochondria, Cell, 2008, 134(2): 279-290.
[3]https://www.bilibili.com/video/BV1tf421Q7pJ/?vd_source=45f9245b53f17298e1be1fbe1d9b8d32
[4]https://nbic.pku.edu.cn/cxcg/ba1031eb18b242ca9d9afb5eb16f5da5.htm
[5]https://www.bilibili.com/video/av564639885/?vd_source=45f9245b53f17298e1be1fbe1d9b8d32
[6]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1774429019602609261&wfr=spider&for=pc
[7]https://news.pku.edu.cn/xwzh/c2772ba504c44b538f2e2b3883eb4918.htm
[8]https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3NjE0MzM3Nw==&mid=2650367015&idx=2&sn=d869c43790f2c3d1b54593d06a2ddc2f&chksm=87680a59b01f834f52f64f5111656182d97f1a109d23eba4c9548d0dac95967f1db8b8ac3346&scene=27
[9]https://www.zryhyy.com.cn/zryh/c104659/202303/52be41a7c0f846a6a8f29e2ed794dd84.shtml
撰文：黎明
二審：清揚
三審：碧泉
編輯：半夏
封麵來源：醫學論壇網
