北大科研 北大科研 2022-05-08 23:19
编者按
生命体作为最复杂的物质运动形式，其结构与功能跨越九个量级的时空尺度，并且紧密关联和互相影响。任何宏观尺度的生物行为和病理现象都有其介观水平的细胞机制，而介观现象又由其微观水平的分子机制所决定。因此，准确理解整个生物系统需要采集和整合从分子到细胞再到高级组织的跨层次、跨尺度的结构和功能信息。生命活动的精确测量与可视化是后基因组时代生命科学的主战场。
生物医学成像是一类通过影像手段解析生物样品以及临床诊断中目标区域的结构、组成和动态变化等的技术。以百年来近十个诺贝尔奖为代表，生物医学成像技术是推动从生物学原理发现到医学实践进步的核心动力之一。然而，任一成像模态都无法实现对生物学特征进行多尺度、多参数联合观测，不同成像方法所获取的信息通常是割裂和脱节的。因此，如何打通尺度与模态壁至，全面、精准地解析生命的奥秘和重大疾病的发生发展，是生命科学和医学面临的重大科学问题。
1成像模态
生物医学样本可以通过与光、电、磁、热声、力、放射线等发生相互作用来进行测量，其结果以图像的方式加以呈现，反映样本的各种固有属性。成像模态(ImagingModality)就是指基于某种测量原理、获取对象特定属性的一类技术方法。现代生物医学成像技术涵盖磁共振、超声、光学、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。
2成像组学与多模态跨组成像
生物医学研究的一个重要趋势是贯穿融合分子机制、细胞过程到人体功能，最重要的手段是多组学联合研究。正在蓬勃发展的基因组学(genomics）、蛋白组学(proteomics)、代谢组学(metabonomics）揭示的是生命之剧的“演员”，而正在兴起的成像组学(imageomics）揭示的是生命之剧的“剧照，和“剧情”。通过有机整合不同组学数据将能更加系统完整的揭示生命的奥秘和疾病的机制。
不同模态的生物医学成像技术可以从不同方面提供不同的信息，不同成像方法各有优缺点，多模态技术可实现不同成像技术的优势互补。成像组学是通过光、声、电、磁、核素、电子等成像模态的汇聚融合，结合计算机、信息学、人工智能与大数据技术，全景式描绘生命体在跨越九个以上量级的时空尺度上结构功能与过程。因此，成像组学是一门跨度极大、融合度极深的前沿交叉学科。
3成像组学应对重大生物医学问题研究
发育与生殖健康、干细胞与再生医学、心脑血管疾病、胂瘤及脑科学与认知科学等是世界各国当前面临的重大生物医学问题。基于能够全景式描绘生命体结构、功能与过程的新理念和新方法，成像组学将在重大生物医学研究领域发挥重大作用，革新生命科学领域的科研范式，引发生命科学研究的深刻变革。
为肿瘤硏究与诊疗带来新方法
作为一种极为复杂的生命现象，肿瘤的生物学行为多变，其发生、发展是一个动态、系统、复杂的过程，各种分子通路与机制在人体这个复杂的系统和环境下相互作用，因此需要对其不同阶段的生物学特征进行多尺度、多参数联合的观察研究，而这都绝非单一方法和单一尺度的成像技术所能胜任的。
多模态分子影像技术，特别是利用靶向不同生生物过程的多种或多模态分子探针，综合在体组织内分子水平不同因素动态过程，有可能克服肿瘤研究面临的困难。多模态分子医学影像通过将发射不同信号的探针与肿瘤靶点的配体相结合，在探针进入体内后可以有效地与靶点相结合，发射出如正电子、光子等物理信号然后通过不同的探测手段进行探测和整合。这种多模态成像方式为肿瘤的研究提供了新的方法，进而实现在活体上对肿瘤生物学特征不同表型的表征，如肿瘤的基因表达、肿瘤代谢水平，肿瘤的转移、肿瘤的分型、分期、对治疗的响应，预后与转归等进行影像学显示，是医学影像发展的末来。
为脑科学与认知科学带来新突破
大脑作为人体最复杂的器官，有上千亿个细胞，相当于银河系的星体总数。神经细胞之间通过百万亿神经突触在物理和功能上相互连接，产生了意识、思想和行为。神经网络错综复杂，为了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下的观察。这包括在厘米到毫米的宏观尺度下了解跨越不同脑区的网络连接；在毫米到微米的中间尺度下绘制细胞类型分布及其突触连接；在微米到纳米的微观尺度下剖析细胞连接细节和亚细胞结构。另外，大脑神经网络的活动又是动态的，跨越多个时间尺度。这包括快过1毫秒的神经元动作电位、几百毫秒的突触过程、持续数秒到分钟的调控电流，甚至是目前还很不清楚的可持续一生的记忆机制。
在宏观层面，多参数、高场磁共振成像可以无创检测大脑的结构和功能；脑磁图、脑电可以在全脑尺度下实时测量神经电磁活动；人脑高分辨PET可以探究脑代谢活动，深化对脑功能与神经活动关联性的认识。
在介观层面，通过多个探头的并行显微成像，可以观察不同脑区内的神经回路、神经元以及突触的活动，描绘神经元的功能连接组；结合核磁共振和微型化双光子显微镜的成像，可以实现低时空分辨率的全脑图像和局部活跃脑区的高时空分辨率成像；光遗传学技术可以对特定神经元进行刺激和控制。
在微观层面，应用超高分辨率显微镜和电子显微，可以解析全脑或特定脑区的精细结构连接组信息。通过多模态跨尺度脑成像进行组学式研究，有望为脑科学及认知科学带来突破性进展，为理解大脑的工作机制、进而揭示大脑的奥秘发挥重要作用。
4成像组学的核心内容
利用成像组学解决重大生物医学问题，其关键是要有能够实现清醒、在体成像以及获得足够高的时间和空间分辨率的生物医学成像技术。在科学问题上主要体现为：1.需要明确生物学宏观表型的微观分子机制，保证不同观测尺度间的信息对应，验证细胞和分子水平上发现的机制在整体水平上适用；2.生物学动物实验中，例如在神经系统研究中，麻醉或固定动物的数据与清醒或活动动物的数据和结论的等同和代表；3.生物学离体或体外的结论是否等同于体内或在体的测量结果。
针对这些重大科学问题，需要实现技术突破的要素包括：1.兼顾成像深度和空间分辨率；2.兼顾空间分辨率和时间分辨率；3.有效对接不同成像技术；4.提高样品制备和成像的通量;5.高效处理大数据。发展成像组学必须解决这些科学和技术问题，而解决这些问题，创建多模态跨尺度生物医学成像体系是最有效途径。
5多模态跨尺度生物医学成像设施
多模态跨尺度生物医学成像设施是《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》确定的10个优先建设项目之一，是生物医学成像领域由我国科学家首倡的大科学设施。设施位于北京怀柔科学城核心区，建设周期5年，预计将于2024年底竣工验收。
成像设施的建设目标是通过研发并有机整合不同成像模态，跨越多个时空尺度，以成像组学全景式研究和解析生物医学重大科学问题，推动生物医学研究的范式变革。成像设施将建设“从分子到人"的全景式结构和功能成像系统，即针对人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和针对亚细胞研究的多模态分子成像装置，各成像设备通过自主工程化设计和自动化改造实现硬件层面的对接。
同时，建设智能融合图像的多模态全尺度图像整合系统，通过成像装置间的全尺度图像整合和数据融合，对同一样品在不同空间、时间尺度上的结构/形貌/组分和功能/分子成像数据的有机对接，形成跨尺度、多模态、自动化和高通量的生物医学成像全功能研究系统，实现对生命体结构与功能从埃到米、微秒到小时的跨尺度可视化描绘与精确测量。
成像设施将是践行成像组学理念的一个极佳平台与载体，也是有组织开展成像组学学科建设的科技航母，为研究脑科学与脑疾病、癌症、心血管与代谢疾病、干细胞及生殖发育与再生医学等提供成像组学研究手段，推动成像组学这一新兴交叉学科。
如有侵权，请联系本站删除！
