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走进清华大学成像与智能技术实验室:“一些人绕过问题,我想去解决问题”

编者按:

日前,清华大学成像与智能技术实验室教师团队入选第二批全国高校黄大年式教师团队。清华大学成像与智能技术实验室秉承“理学思维融合工科实践,交叉领域践行原始创新”的理念,树立“基础研究领跑科学前沿,科技报国培养一流人才”的目标,研制了“两芯一器”,在人工智能、脑与认知和光学计算与成像等交叉领域取得重要进展。

15日,《人民日报海外版》刊发报道,讲述了该团队敢于质疑现有理论,勇于开拓新的方向的科研故事。让我们跟随这篇报道,走进清华大学成像与智能技术实验室。


重大原始创新成果往往萌发于深厚的基础研究,产生于学科交叉领域,大学在这两方面具有天然优势。要保持对基础研究的持续投入,鼓励自由探索,敢于质疑现有理论,勇于开拓新的方向。

——习近平


戴琼海院士近来瘦了不少。

记者在清华大学成像与智能技术实验室见到他时,是早上9点多,他已经在实验室工作了两个多小时。

博士生们不知道这位中国工程院院士、清华大学信息科学技术学院院长每天几点睡觉。“晚上10点、12点,凌晨2点、4点都收到过戴老师的微信,有了奇思妙想马上问我们:‘有空吗?’”

实验室里的年轻人也都很拼,“每周工作80个小时”“春节不回家”“不舍得放假”的比比皆是。

2021年4月19日,习近平总书记考察清华大学时,曾来到这里。“要保持对基础研究的持续投入,鼓励自由探索,敢于质疑现有理论,勇于开拓新的方向。”总书记的嘱托,是实验室全体科研人员最大的奋进动力。

“我是自愿加班的”

寒假期间,位于清华大学主楼的成像与智能技术实验室走廊里,不时飘散着咖啡香。

咖啡室里贴了三张字条,两张贴在冰箱上,写着“零食有,无寒假”“寒假来了吗?CNS永不眠”。这个“CNS”,指的是世界著名科学杂志《细胞》《自然》和《科学》。

另一张字条贴在几十条经典的物理公式底下,上写四字:“欢迎指正”。

墙上贴的并非玩笑话。戴琼海告诉记者,“欢迎指正”这个字条是他专门让人贴上去的,提醒实验室所有人,要有颠覆经典物理公式的心理准备。

基础研究和原始创新,始终是这个团队前行的基石。

戴琼海想得很清楚,过去100余年,有20多项获诺贝尔奖的研究与脑科学有关,而在医学影像界,光核磁共振技术就催生了多位诺贝尔奖得主。在这些领域,有太多“颠覆性研究”值得投入。

“所谓‘颠覆性研究’有三个标准:是否改变了科学研究的路径,是否改变了产业发展的方向,是否可以写进教科书。”戴琼海掰着指头说。他要求实验室的青年教师和学生们,必须去想“图诺问题”——图灵奖和诺贝尔奖级别的问题。

博士生李欣阳直言,这些问题是全世界科研人员共同面临的挑战,“一些人绕过问题,我想去解决问题。”

清华大学主楼的724、725房间是实验室“根据地”。两个房间号衍生出两个励志的解读:“724”,就是抓紧每周7天、每天24小时连轴转;“725”则要在此基础上,把24小时当成25小时来过。

“我是自愿加班的。”出生于1994年的博士生乔畅神色平和。在实验室,乔畅已经待了六七年。这里从无强制性时间规定,但这些年来,乔畅平均每周待在实验室超过80小时——早上9点到、晚上10点半左右走,几乎雷打不动。

会议室墙上,挂着习近平总书记说过的一句话:“新时代属于每一个人,每一个人都是新时代的见证者、开创者、建设者。”

“致广大而尽精微”

穿过风淋室吹掉灰尘,才能进入一间洁净的实验室。里面摆放着大大小小的黑色仪器,有的一人多高,满是镜头和密密麻麻的线路、降温散热的管线;有的只有半米高,镜片折射出彩色的光芒。一间玻璃房与实验室相连,计算机计算存储设备集群嗡嗡轻响……

不经人指点,记者很难想到,眼前这台其貌不扬的设备居然是实验室自主研制、世界领先的显微仪器“RUSH”——高分辨光场智能成像显微仪器。

“致广大而尽精微”,戴琼海觉得,习近平总书记在二○二二年新年贺词中引用的这句古语,也可以用来形容实验室的研究。

拿“RUSH”来说,其他国家研制的仪器每秒拍到千万像素,“RUSH”可达百亿像素,是国际上首个能实现小鼠全脑皮层范围神经活动高分辨率成像的仪器。

年轻的副研究员范静涛介绍,通过“RUSH”,研究者可以在1平方厘米的范围内观察活体小鼠的大脑,研究大脑功能信号和脑血管舒张是否存在关系;可以观察小鼠脑部免疫细胞迁移过程,帮助医生研究人体的免疫病理反应;可以分析癫痫病人病变区域产生的癫痫波,揭示病理发生机制。

“掌握了工具就等于掌握了武器,工具的突破可能带来一系列连锁反应。”戴琼海说。目前,在“RUSH”助力下,生命科学领域的探索者正陆续取得诸多重要科研成果。

2021年5月25日,在习近平总书记考察清华大学一个多月后,《细胞》杂志发表了清华大学成像与智能技术实验室的最新研究成果,介绍了另一款自主研制的新仪器“DAOSLIMIT”——扫描光场显微镜。

这套超级显微镜实现了活体三维、长时间、高分辨率的显微观测,为未来更多生物的发现提供了可能。肿瘤细胞的转移过程,也在镜头下无处可藏,这为肿瘤早期诊断和治疗开辟了新路径,更为揭示神经、肿瘤、免疫新现象和新机理等生命科学重大问题突破提供了变革性工具。

《自然·方法》杂志这样评价“DAOSLIMIT”:“打破了活体成像的一系列壁垒。”

“先做‘青蛙’,再做‘飞鸟’”

在这个以研发仪器为主业的实验室,研究者大都持有生物实验资格证,为小鼠动手术是大伙的“基本功”,还有人用鱼缸认真培养水母。

在实验室考察时,习近平总书记强调,重大原始创新成果往往萌发于深厚的基础研究,产生于学科交叉领域,大学在这两方面具有天然优势。

实验室的科研人员越来越体会到交叉学科的优势。

此前,“RUSH”研发出来后,斯坦福大学的研究者4次登门讨论合作事宜,让他们惊讶的是,这个项目在清华竟然调动了自动化系、电子工程系、精密仪器系、医学院、药学院、生命科学学院的力量共同参与。实验室的合作范围远不止清华校内,乔畅说,自己做过的多项研究,都是与中国科学院、浙江大学等不同高校和机构的研究者携手完成的。

学科交叉并不是让科研人员成为“万金油”。戴琼海喜欢用数学家弗里曼·戴森的“飞鸟与青蛙”的比喻教导博士生,“先做‘青蛙’,再做‘飞鸟’”——在前三年安心扎透一个问题,像青蛙一样专注;后几年专心培养找到前沿问题的能力,像飞鸟一样视野开阔。戴琼海希望,这样培养出来的科研人员“胸怀宽、境界高、眼光远”“以国际前沿和国家重大需求为重”。

在这个实验室里,科研人员不仅在为中国科技创新而拼搏,也在为全人类科学事业探路。很多年轻一代的成果,获得了国际学术界的关注和肯定。

2021年8月,以李欣阳为第一作者的论文,在国际上首次提出成功实现钙成像去噪的方法,欧洲分子生物学实验室显微技术专家阿尔瓦罗·克雷文纳评价其“有望改变游戏规则”。

同样是2021年,博士四年级的周天贶作为第一作者的论文,提出并构建了光电智能衍射计算处理器,这一成果得到瑞士洛桑联邦理工工学院院长德米特里·赛提斯教授充分肯定,认为“证明了光子神经网络能够和类似电子神经网络竞争”。

两篇论文均发表在《自然》杂志的子刊上,两位第一作者都只有二十六七岁。

“我们有一大批顶尖科学家在顶尖刊物上连续发表研究成果,整个科学家群体都在快速冲刺。”戴琼海说,“我们培养的这批‘90后’、‘00后’,一定会扛起历史重任。”

每次在显微镜头前操作,吴嘉敏都有新奇感:“我看到的现象,是整个人类社会第一次看到,再累也觉得很愉悦。”这位“90后”教师去年刚入职清华,他看到的,是肿瘤转移的过程,是淋巴细胞发挥作用的过程,是大脑神经元运动的过程……

“我们正在打开一扇门,迫不及待想进去看看。”说这话时,吴嘉敏的双眸闪着光。


来源:《人民日报海外版》02-15