科学仪器是人类认识世界，探索未知的重要工具。仪器创新是科学突破的重要基石，也是我国迈向世界科技强国道路，发展新质生产力的重点领域。

X射线衍射（1914，1915年诺贝尔物理学奖），超分辨率荧光显微镜（2014年诺贝尔化学奖）与冷冻电镜（2017年诺贝尔化学奖）等技术使得人们能够以前所未有的精度研究单个细胞内不同蛋白、细胞器等物质的结构与功能，极大地推动了生命科学与医学的发展，但却始终只能覆盖很小的视野范围，如同管中窥豹般难以在活体环境下对大量细胞进行动态观测。

CT成像（1979年诺贝尔生理学或医学奖）与磁共振成像（2003 年诺贝尔生理学或医学奖）能够提供极大的成像视场，在活体的宏观尺度下研究不同器官的异质性，已经广泛应用于临床医学领域，为人类生命健康作出了突出贡献，但其成像精度却远远难以达到单细胞尺度。

细胞是生命活动的基本单位。每时每刻，人体内都在上演着大量不同类型细胞间交互作用所形成的交响曲。然而，在这一连接微观与宏观之间的介观尺度上，却存在巨大的技术空白，使得当前研究难以在哺乳动物的活体环境器官尺度下同时观测大量细胞在不同生理与病理状态下的时空异质性，极大地限制了脑科学、免疫学、肿瘤学、药学等学科发展。

“一直以来，活体介观显微成像处于空白。”吴嘉敏说。2012年，戴琼海决心带领团队突破这个难题。“戴老师鼓励我们目光放长远，我们做这个仪器就要向诺奖级的重大原始创新成果看齐。”吴嘉敏说。

尽管2018年成功研制的RUSH被国际同行誉为介观显微成像领域的先驱，但是由于仪器复杂昂贵，在当时仅能被少数科学家使用。与此同时，RUSH系统仍然面临一系列瓶颈，包括：如何利用二维传感器实现高速三维成像；如何避免激光长时间照射所引起的细胞损伤（即光毒性）从而实现长时程高速的观测；如何克服复杂成像环境导致的光学像差与背景干扰；如何提升弱光条件下的成像信噪比；如何高效处理大规模介观数据；等等。

在之后的6年里，戴琼海院士带领的成像与智能技术实验室，瞄准活体介观显微成像的高峰，攻坚克难，持续攻关这些国际前沿难题，先后提出了扫描光场成像原理，数字自适应光学架构，虚拟扫描算法，共聚焦扫描光场架构，自监督去噪算法等关键理论与技术，相关成果均发表于Cell、Nature、Nature Biotechnology、Nature Methods等国际期刊，逐一解决了介观活体显微成像中一系列壁垒，为新一代介观活体显微仪器RUSH3D的问世奠定了基础。

RUSH3D在初步实验中取得了多个“首次”突破——首次在活体小鼠上以单细胞分辨率实现了覆盖大脑皮层2/3层的高速三维观测；首次观测到了急性脑损伤后多脑区的免疫反应；首次在小鼠免疫反应过程中同时观测到了淋巴结内多个生发中心的形成过程 ；等等。“这些初步实验充分展示了RUSH3D为神经科学、免疫学、肿瘤学、药学等领域的前沿研究所带来的广阔应用前景。”戴海琼说。

图为T淋巴细胞在多个生发中心之间迁移的完整过程

据悉，该仪器的研制与产业化为揭示神经、肿瘤、免疫新现象和新机理提供了新的“杀手锏”。华中科技大学同济医学院王伟教授课题组正在使用RUSH3D仪器探索针灸的神经环路基础；清华大学时松海院士、刘嘉教授等课题组正在使用RUSH3D仪器探索大脑的工作机理等。