采用斐波那契螺旋线构思设计的成像设施建筑效果图

■本报见习记者 辛雨

在世纪交替的十几年中，生命科学领域发生了惊天动地的变革。从人类基因组到脑科学人工智能，从干细胞到人造器官，从分子诊断到癌症免疫疗法，都深刻影响着人类的未来。为了在这一科学浪潮中占据优势地位，各国纷纷启动国家生命科学重大计划。

近日，“十三五”国家重大科技基础设施——多模态跨尺度生物医学成像设施（以下简称成像设施）在北京怀柔综合性科学中心正式启动建设。

该成像设施作为我国科学家首倡的生物医学成像大科学工程，建成后，将提供一个生物医学成像全功能的研究平台，实现高端生物医学影像仪器装备的“中国创造”，成为国际上成像模态融合程度最高、可视化解析能力最全面的全尺度成像系统。

前所未有的成像设施

在生命科学和医学研究中，成像技术至关重要，它是推动生命科学进步的核心动力。生物医学的发展史大半部是成像技术的发展史，上世纪至今，医学中的一些大进展往往都伴随着成像技术的突破。X射线、全息照相法、CT计算机断层成像、电子显微等多种技术的发现，给人类带来了新的医疗手段和观察手段。

生命体是世界上最复杂的物质运动形式。从分子到人，生命体的结构与功能跨越十个量级的时空尺度，不同尺度下的生命功能、结构和过程都紧密联系和互相影响。

成像设施项目首席科学家、中国科学院院士程和平告诉《中国科学报》：“大型生命科学计划竞争的背后实质上是研究技术和手段的竞争，成像技术是推动生物医学发展的核心动力。”

因此，多模态、跨尺度、自动化和高通量的生物医学成像全功能研究平台，作为综合有力的研究手段，可以对生命体结构与功能进行跨尺度、可视化的描绘与精确测量，进而破解生命与疾病的奥秘。

多模态、跨尺度究竟是什么？现代生物医学成像技术涵盖磁共振、超声、X射线和电镜等十几种成像模态以及众多衍生模态，在组织、细胞或分子水平上为样品的结构、形貌、组分、动态和功能的观察提供重要工具。

多模态、跨尺度生物医学成像技术，是指利用两个或多种成像模态在时间、空间、结构或功能上进行融合，对同一个观测对象实现两个或多个物理量的测量。通过图像数据融合，进而实现时空尺度的跨越以及结构和功能信息的有机结合，全景式呈现生命活动的过程。

程和平介绍，即将落户怀柔科学城的成像设施，将无缝覆盖生命体十个数量级的超大尺度范围，融合光、声、电、磁、核素、电子等模态，结合信息技术形成影像组，实现从埃到米、微秒到生命周期的跨时空尺度的结构与功能成像。从而为复杂生命科学问题和重大疾病的研究提供成像组学研究手段。

“成像设施将以前所未有的综合能力和成像手段，提供前所未有的研究范式。”程和平说。

“4+3+3”保证持续创新

2013年，北京大学提议建设成像设施。之后五年内，该项目一直处于立项阶段，项目建议书、项目可行性研究报告先后获国家发改委批复。如今，成像设施已经进入开工建设阶段。程和平告诉记者，成像设施技术层面第一阶段的科学设计已经完成。

成像设施包括四大装置的建设：针对生物活体研究的多模态医学成像装置、针对组织细胞研究的多模态活体细胞成像装置、针对亚细胞研究的多模态高分辨分子成像装置，以及全尺度图像整合系统和相关辅助平台。

程和平表示，成像设施的设计理念一是把不同成像手段所获取的信息进行整合，二是把不同尺度的图像信息进行整合，从而形成多模态、跨尺度的数据整合，呈现在一套成像装备上，“把生命体图像看得清清楚楚”。

由于各装置部分子系统设计技术和制造工艺难度大，研制设计和制造周期较长，成像设施建设周期拟按五年安排。程和平介绍，相关成像设备采用“4+3+3”的构成模式，即4分买、3分改、3分造。

4分买：成像设施是一个完备体系，因此需要购买市场上最先进的、比较成熟的仪器，构成基础研究平台。3分改：也可称定制，若设备的指标无法满足研究需求，需要在其性能等方面进行整合、改造和提高。3分造：由北京大学联合中科院生物物理所、中科院物理所等科学家团队制造的十多套设备即将开展预演，这些设备是我国自主研发的一批创新仪器。

“4+3+3”的设备构成模式，将逐步改变我国高端生物医学影像设备市场需求巨大、依赖进口的现状。“生命科学领域的装备应该处于日新月异、不断更新的状态。所以需要一个研发队伍，不断保持平台的先进性，保证自研频率越来越高。”程和平指出，提高我国自主生物医疗设施研发能力，最主要的困难是人才和经费。

因此，程和平建议成立一个50个实验室规模的成像组学研究院，保证新的成像理论、成像软件和成像装备源源不断地产生，从而实现源头创新。

资源共享 服务全球

未来，成像设施可提供大脑结构与功能成像、神经网络成像、心脑血管造影、组织成像、模式动物活体成像、活细胞/亚细胞结构与功能成像、生物大分子结构解析以及成像大数据融合、解析与挖掘等研究手段，支撑脑科学与认知科学、神经系统疾病、心脑血管疾病、生殖与发育、干细胞与再生、肿瘤的精准诊断等国家生命科学领域的重大研究。

程和平举例，成像设施具有最灵敏的成像技术，可以“跟踪”体内已标记的肿瘤干细胞，实现肿瘤干细胞的全周期“跟踪”。“这一群标记的细胞跑到哪儿、在哪儿停留、怎样生长等细节，我们都可以掌握。”此外，还可以观察肿瘤干细胞对药物的反应。

神经网络错综复杂，神经细胞之间则通过百万亿神经突触在物理和功能上相互连接，产生意识、思想和行为。为真正了解人脑是如何工作的，需要对神经网络实现不同尺度的观察。成像设施可以利用细胞磁共振、脑磁成像、脑电成像以及脑红外成像等技术手段，构造一个从最小信息处理单元突触到宏观整脑的结构与功能成像。

“现在我们观察到的脑网络是零散的。而成像设施可以进行全方位、跨尺度、全景式的了解，可实现同时原位和异时异位观察。”程和平说。

因此，成像设施的可视化描绘与精确测量，可以促进对生命活动基本原理和疾病发病机制的全面、准确理解，进而为疾病的个性化检测、精准诊断、基因及靶向药物跟踪、预后判断、疗效评价等提供理论指导与技术支持。

据了解，成像设施的具体服务对象主要包括生命科学基础研究者、医学家和药学家以及与生命科学相关的农学家。成像设施项目建成后将按照“开放合作、资源共享”的原则，面向全世界用户开放，开展科学研究和国内外交流。

“也就是说，该设施的建成不仅仅让国人受益，也能为全球有需要的人群提供服务。”程和平说。