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走進清華大學成像與智能技術實驗室:“一些人繞過問題,我想去解決問題”

編者按:

日前,清華大學成像與智能技術實驗室教師團隊入選第二批全國高校黃大年式教師團隊。清華大學成像與智能技術實驗室秉承“理學思維融合工科實踐,交叉領域踐行原始創新”的理念,樹立“基礎研究領跑科學前沿,科技報國培養一流人才”的目標,研制了“兩芯一器”,在人工智能、腦與認知和光學計算與成像等交叉領域取得重要進展。

15日,《人民日報海外版》刊發報道,講述了該團隊敢于質疑現有理論,勇于開拓新的方向的科研故事。讓我們跟隨這篇報道,走進清華大學成像與智能技術實驗室。


重大原始創新成果往往萌發于深厚的基礎研究,產生于學科交叉領域,大學在這兩方面具有天然優勢。要保持對基礎研究的持續投入,鼓勵自由探索,敢于質疑現有理論,勇于開拓新的方向。

——習近平


戴瓊海院士近來瘦了不少。

記者在清華大學成像與智能技術實驗室見到他時,是早上9點多,他已經在實驗室工作了兩個多小時。

博士生們不知道這位中國工程院院士、清華大學信息科學技術學院院長每天幾點睡覺。“晚上10點、12點,凌晨2點、4點都收到過戴老師的微信,有了奇思妙想馬上問我們:‘有空嗎?’”

實驗室里的年輕人也都很拼,“每周工作80個小時”“春節不回家”“不舍得放假”的比比皆是。

2021年4月19日,習近平總書記考察清華大學時,曾來到這里。“要保持對基礎研究的持續投入,鼓勵自由探索,敢于質疑現有理論,勇于開拓新的方向。”總書記的囑托,是實驗室全體科研人員最大的奮進動力。

“我是自愿加班的”

寒假期間,位于清華大學主樓的成像與智能技術實驗室走廊里,不時飄散著咖啡香。

咖啡室里貼了三張字條,兩張貼在冰箱上,寫著“零食有,無寒假”“寒假來了嗎?CNS永不眠”。這個“CNS”,指的是世界著名科學雜志《細胞》《自然》和《科學》。

另一張字條貼在幾十條經典的物理公式底下,上寫四字:“歡迎指正”。

墻上貼的并非玩笑話。戴瓊海告訴記者,“歡迎指正”這個字條是他專門讓人貼上去的,提醒實驗室所有人,要有顛覆經典物理公式的心理準備。

基礎研究和原始創新,始終是這個團隊前行的基石。

戴瓊海想得很清楚,過去100余年,有20多項獲諾貝爾獎的研究與腦科學有關,而在醫學影像界,光核磁共振技術就催生了多位諾貝爾獎得主。在這些領域,有太多“顛覆性研究”值得投入。

“所謂‘顛覆性研究’有三個標準:是否改變了科學研究的路徑,是否改變了產業發展的方向,是否可以寫進教科書。”戴瓊海掰著指頭說。他要求實驗室的青年教師和學生們,必須去想“圖諾問題”——圖靈獎和諾貝爾獎級別的問題。

博士生李欣陽直言,這些問題是全世界科研人員共同面臨的挑戰,“一些人繞過問題,我想去解決問題。”

清華大學主樓的724、725房間是實驗室“根據地”。兩個房間號衍生出兩個勵志的解讀:“724”,就是抓緊每周7天、每天24小時連軸轉;“725”則要在此基礎上,把24小時當成25小時來過。

“我是自愿加班的。”出生于1994年的博士生喬暢神色平和。在實驗室,喬暢已經待了六七年。這里從無強制性時間規定,但這些年來,喬暢平均每周待在實驗室超過80小時——早上9點到、晚上10點半左右走,幾乎雷打不動。

會議室墻上,掛著習近平總書記說過的一句話:“新時代屬于每一個人,每一個人都是新時代的見證者、開創者、建設者。”

“致廣大而盡精微”

穿過風淋室吹掉灰塵,才能進入一間潔凈的實驗室。里面擺放著大大小小的黑色儀器,有的一人多高,滿是鏡頭和密密麻麻的線路、降溫散熱的管線;有的只有半米高,鏡片折射出彩色的光芒。一間玻璃房與實驗室相連,計算機計算存儲設備集群嗡嗡輕響……

不經人指點,記者很難想到,眼前這臺其貌不揚的設備居然是實驗室自主研制、世界領先的顯微儀器“RUSH”——高分辨光場智能成像顯微儀器。

“致廣大而盡精微”,戴瓊海覺得,習近平總書記在二○二二年新年賀詞中引用的這句古語,也可以用來形容實驗室的研究。

拿“RUSH”來說,其他國家研制的儀器每秒拍到千萬像素,“RUSH”可達百億像素,是國際上首個能實現小鼠全腦皮層范圍神經活動高分辨率成像的儀器。

年輕的副研究員范靜濤介紹,通過“RUSH”,研究者可以在1平方厘米的范圍內觀察活體小鼠的大腦,研究大腦功能信號和腦血管舒張是否存在關系;可以觀察小鼠腦部免疫細胞遷移過程,幫助醫生研究人體的免疫病理反應;可以分析癲癇病人病變區域產生的癲癇波,揭示病理發生機制。

“掌握了工具就等于掌握了武器,工具的突破可能帶來一系列連鎖反應。”戴瓊海說。目前,在“RUSH”助力下,生命科學領域的探索者正陸續取得諸多重要科研成果。

2021年5月25日,在習近平總書記考察清華大學一個多月后,《細胞》雜志發表了清華大學成像與智能技術實驗室的最新研究成果,介紹了另一款自主研制的新儀器“DAOSLIMIT”——掃描光場顯微鏡。

這套超級顯微鏡實現了活體三維、長時間、高分辨率的顯微觀測,為未來更多生物的發現提供了可能。腫瘤細胞的轉移過程,也在鏡頭下無處可藏,這為腫瘤早期診斷和治療開辟了新路徑,更為揭示神經、腫瘤、免疫新現象和新機理等生命科學重大問題突破提供了變革性工具。

《自然·方法》雜志這樣評價“DAOSLIMIT”:“打破了活體成像的一系列壁壘。”

“先做‘青蛙’,再做‘飛鳥’”

在這個以研發儀器為主業的實驗室,研究者大都持有生物實驗資格證,為小鼠動手術是大伙的“基本功”,還有人用魚缸認真培養水母。

在實驗室考察時,習近平總書記強調,重大原始創新成果往往萌發于深厚的基礎研究,產生于學科交叉領域,大學在這兩方面具有天然優勢。

實驗室的科研人員越來越體會到交叉學科的優勢。

此前,“RUSH”研發出來后,斯坦福大學的研究者4次登門討論合作事宜,讓他們驚訝的是,這個項目在清華竟然調動了自動化系、電子工程系、精密儀器系、醫學院、藥學院、生命科學學院的力量共同參與。實驗室的合作范圍遠不止清華校內,喬暢說,自己做過的多項研究,都是與中國科學院、浙江大學等不同高校和機構的研究者攜手完成的。

學科交叉并不是讓科研人員成為“萬金油”。戴瓊海喜歡用數學家弗里曼·戴森的“飛鳥與青蛙”的比喻教導博士生,“先做‘青蛙’,再做‘飛鳥’”——在前三年安心扎透一個問題,像青蛙一樣專注;后幾年專心培養找到前沿問題的能力,像飛鳥一樣視野開闊。戴瓊海希望,這樣培養出來的科研人員“胸懷寬、境界高、眼光遠”“以國際前沿和國家重大需求為重”。

在這個實驗室里,科研人員不僅在為中國科技創新而拼搏,也在為全人類科學事業探路。很多年輕一代的成果,獲得了國際學術界的關注和肯定。

2021年8月,以李欣陽為第一作者的論文,在國際上首次提出成功實現鈣成像去噪的方法,歐洲分子生物學實驗室顯微技術專家阿爾瓦羅·克雷文納評價其“有望改變游戲規則”。

同樣是2021年,博士四年級的周天貺作為第一作者的論文,提出并構建了光電智能衍射計算處理器,這一成果得到瑞士洛桑聯邦理工工學院院長德米特里·賽提斯教授充分肯定,認為“證明了光子神經網絡能夠和類似電子神經網絡競爭”。

兩篇論文均發表在《自然》雜志的子刊上,兩位第一作者都只有二十六七歲。

“我們有一大批頂尖科學家在頂尖刊物上連續發表研究成果,整個科學家群體都在快速沖刺。”戴瓊海說,“我們培養的這批‘90后’、‘00后’,一定會扛起歷史重任。”

每次在顯微鏡頭前操作,吳嘉敏都有新奇感:“我看到的現象,是整個人類社會第一次看到,再累也覺得很愉悅。”這位“90后”教師去年剛入職清華,他看到的,是腫瘤轉移的過程,是淋巴細胞發揮作用的過程,是大腦神經元運動的過程……

“我們正在打開一扇門,迫不及待想進去看看。”說這話時,吳嘉敏的雙眸閃著光。


來源:《人民日報海外版》02-15