孔令杰，现为清华大学精密仪器系长聘副教授、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院兼聘研究员。2007年获得吉林大学光通信系工学学士学位，2012年获得清华大学精密仪器与机械学系工学博士学位。2012-2016年，先后在哈佛大学、霍华德•休斯医学研究所、普度大学从事博士后研究。2017年-至今，加入清华大学精密仪器系担任副教授。2024年获国家杰出青年科学基金。
主要研究方向为生物医学光子学、显微成像、光学传感、分析仪器等，取得了一些重要研究成果，例如设计研制了（1）实时、高分辨、超大尺度显微成像系统及随机扫描宽视场层析显微成像系统，实现了厘米级视场、亚细胞级分辨率的高速、高通量成像，并成功应用于小鼠神经网络活动的在体观测；（2）三维高速双光子荧光显微成像系统，用于小动物在体神经回路成像；（3）自适应光学显微系统，用于在体深层生物组织成像；（4）新型相干拉曼显微系统及其所需超短脉冲激光光源等，用于化学特异性、无标记成像。目前以第一或通讯作者发表60余篇高水平论文，其中包含Nature Methods（X2）、Nature Machine Intelligence、Nature Photonics、Science Advances等。主持承担国家自然科学基金重点项目1项、面上项目1项，主持科技创新2030——“脑科学与类脑研究”（青年科学家项目）1项。曾入选国家高水平人才引进计划青年项目、《麻省理工科技评论》中国区“35岁以下科技创新35人”（评语为“在神经成像领域取得突破，可让人类实时观测清醒动物跨脑区神经网络活动”）等。在此，我们汇总了孔教授的代表性论文与大家一起分享，内容如下，
Nat. Photonics： 随机扫描宽视场层析显微技术
受到固有空间带宽积的限制，传统光学显微系统中成像视场与空间分辨率互相制约，难以满足神经科学、免疫科学等生物医学研究对于宽视场、高时空分辨率动态观测的应用需求。尽管近期人们提出了几种新型中尺度显微系统，但这些系统通常需采用定制化物镜等光学元件，极大地增加了系统成本。此外，基于单光子荧光的中尺度显微系统中存在严重的焦外背景干扰问题，不仅降低了成像深度，还极易引入伪信号。实际应用中，还需注意的是，若中尺度显微系统的成像视场与生物样本的尺寸不匹配，则意味着存在数据传输及存储资源的浪费。
针对上述难题，清华大学孔令杰副教授、解放军总医院唐佩福主任和张里程主任等人开发了具有厘米尺度视场、微米级分辨率的随机扫描宽视场层析(RA-WiFi)显微系统，可根据目标区域的位置、形状及尺寸灵活设定成像区域，满足大尺度生物动态高时空分辨率观测的应用需求。RA-WiFi介观显微系统通过采用具有高空间带宽积的商用物镜，并设计子视场扫描成像策略进行高空间分辨率采样，成功实现了兼顾宽视场和高空间分辨率的介观尺度显微成像。进一步地，通过引入低视场角模式，将成像视场面积扩大到所选物镜标称成像面积的5倍，达到 163.84 mm2。针对系统中存在的光学像差，RA-WiFi介观显微系统通过引入基于无波前探测器的自适应光学技术，将系统横向分辨率（∼2.2 µm）保持在亚细胞水平。综上，RA-WiFi介观显微系统为系统生物学研究提供了强有力的工具，尤其适用于对非常规目标成像区域进行高时空分辨率观测的应用需求。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41566-024-01422-1
Nat. Photonics：具有厘米尺度和微米分辨率的生物动力学视频速率成像
具有高时空分辨率的大规模生物动力学成像是系统生物学研究不可或缺的。然而，由于空间带宽积定理，传统显微镜在可实现的视场和空间分辨率之间存在固有的限制。此外，另一个挑战是如何处理大规模成像平台生成的大量数据的能力。
清华大学戴琼海教授、孔令杰副教授和浙江大学Zhenrong Zheng通过提出使用平-曲-平成像策略来打破这些瓶颈。在该策略中，样本平面被放大到一个大的球形图像表面上，然后无缝地与多个平面传感器共轭。该实时、超大规模、高分辨率（RUSH）成像平台的视场为10×12 mm2，解卷积后的均匀分辨率约为1.20μm，数据吞吐量为每秒5.1千兆像素。作者使用RUSH平台以厘米级和微米级分辨率成功地进行视频速率、千兆像素的生物动力学成像，包括清醒、行为正常的小鼠的全脑结构成像和功能成像。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41566-019-0474-7
Nat. Machine Intelligence： 构建癌症预后标志物智能挖掘平台
病理组织的生物标记物对癌症诊断、预后评估和治疗规划至关重要。随着深度学习技术的发展以及大量数字病理信息的积累，通过计算机视觉等方法处理数字病理信息的计算病理学发展迅速。已有研究表明，基于大量数字病理显微图像信息和病人生存信息训练的深度神经网络可以实现高于传统分期的预后准确度。然而，深度神经网络有限的可解释性和泛化能力阻碍了这些高准确度的深度预后模型的临床实践和应用。将深度学习作为工具，从大量病理显微数据中以知识挖掘的方式寻找出有明确病理意义、可用数学模型表征的病理预后标志物有望成为连接临床病理和深度学习的桥梁。
针对上述难题，清华大学孔令杰副教授、清华长庚医院肖颖、尹洪芳及清华大学戴琼海教授等人提出了一种可解释的、以人为中心的深度学习框架——PathFinder，帮助病理学家从表现良好的深度学习模型中发掘新的病理预后标志物。通过将数字病理显微图像（WSI）的稀疏多类组织空间分布信息与归因方法相结合，PathFinder可以实现潜在生物标志物的定位、表征和验证，同时保证优越的预后性能。该研究以肝细胞癌为例，通过PathFinder发现肝脏坏死组织的空间分布——这一长久以来被忽视的特征与病人预后有显著关系，并基于此提出了两种全新的病理预后标志物。通过在国内外数据集上进行测试，验证了两种标志物是肝细胞癌的重要预后指标。该研究构建了PathFinder预后标志物智能挖掘平台，可服务于多种癌症、空间多组学、三维病理学等多种模态数据，具有广阔应用前景。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s42256-023-00635-3
Nat. Method（第一作者）： 通过光学锁相超声透镜进行连续体成像
高时空分辨率的体内成像是理解复杂生物系统的关键。为了理解复杂生物系统涌现行为背后的多尺度信号动力学和细胞间相互作用，需要在接近感兴趣过程的自然时空尺度采样时观察体内细胞群。这些要求激发了人们对生物样本快速体积成像的兴趣。成像硬件的最新进展实现了快速广域图像记录，这提供了高度的并行性，适用于秀丽隐杆线虫和斑马鱼等小型透明生物系统。然而，在大型、浑浊的生物系统中，如小鼠淋巴结和大脑，光学像差和散射会导致这种并行检测方案中不同空间点之间的串扰，并限制成像深度。
霍华德·休斯医学研究所Meng Cui等人将光学锁相超声透镜集成到双光子荧光显微镜中，实现了微秒级的轴向扫描，从而实现了数十赫兹的体积成像。超声透镜引起的球面像差限制了轴向扫描范围，而通过用更高声速和更大声光品质因数的介质代替透镜液体，可以简便地解决这个问题。由于像差，焦点向成像体积的轴向边缘延伸。此外，由于对足够光子计数的需求是快速成像的另一个主要限制因素，因此更亮的荧光团和更灵敏的功能指标可提高体积成像速率。作者成功地将该系统应用于对运动伪影敏感的过程的多色体积成像，包括行为小鼠大脑中的钙动力学、瞬时形态变化和免疫细胞的运输。上述系统可以添加到现有的激光扫描显微镜上，用于体积成像，预计这将在3D生物成像中得到广泛应用。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/nmeth.3476
Sci. Adv.： 可用于高特异性神经化学物质活体检测的即插即用型光纤探针
神经化学物质（包括神经递质和神经调质）作为内源性化学物质，不仅影响睡眠、运动、认知等正常生理功能的调节，还与多种疾病息息相关，比如帕金森、阿尔茨海默症、癫痫、抑郁等。因此，发展具有高灵敏度、高特异性的神经化学物质在体检测技术，对于揭示脑认知机理、诊断脑疾病和开发新药物等至关重要。然而，传统的检测方法，如微透析、电化学等，难以实现在体实时、高特异性、高灵敏度监测。近年来，基于基因编码的荧光探针，如基于G蛋白偶联受体激活(GRAB)的探针，已被成功应用于在体神经化学物质动态过程的监测。但是，GRAB探针的表达通常需要通过病毒感染或培养转基因动物实现，这不仅导致长实验周期，而且对于不同的动物物种还需要摸索高效的病毒感染策略。
清华大学孔令杰副教授等人提出了一种基于工程细胞的即插即用型光纤探针(FOPECs)，实现了自由活动动物体内神经化学物质的实时、高特异性检测。FOPECs利用离体培养的、表达GRAB探针的HEK293细胞系作为传感细胞，其自然进化获得的神经递质受体确保了高化学特异性。此外，FOPECs通过将工程细胞培养于光纤端面，从而无需预先在动物体中表达GRAB探针，使该方法不依赖于动物物种，文中成功展示了其在小鼠、大鼠、家兔、鸡等脊椎动物中的应用。FOPECs不仅可用于各种生理和病理条件下脑内神经化学物质的动态监测，还可以实现血液循环系统中药物代谢实时监测。作为即插即用型探针，FOPECs一旦植入动物体内就能进行传感，无需复杂、耗时的转染病毒或培育转基因动物等程序。具体来说，将表达GRAB荧光探针的工程细胞嵌入生物相容性水凝胶（Matrigel）中，并将细胞-水凝胶混合液注入光纤前端毛细管凹槽中固化，从而制备光纤探头（图1）。将FOPECs与光纤传感系统结合，本文展示了小鼠及大鼠脑中去甲肾上腺素（NE）、多巴胺（DA）和三磷酸腺苷（ATP）在生理及病理条件下的动态浓度，验证了FOPECs的在体传感性能。此外，本文还展示了FOPECs在实时监测血液循环系统（如家兔静脉血管）中药物诱导DA浓度的动态，实现了在体血液循环系统中神经化学物质的原位、实时监测。
文献链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg0218
Adv. Funct. Mater.： 用于可穿戴健康监测的可拉伸和温度敏感聚合物光纤
可拉伸的物理传感器可以检测和量化人体生理信号，如温度，对于实现生物医学监测和人机界面的医疗设备至关重要。尽管最近在使用各种导电材料和结构的可拉伸电子传感器方面取得了成就，但光学中可拉伸传感器的设计仍然是一个相当大的挑战。
在此，清华大学孔令杰副教授和Jingjing Guo报道了一种用于设计可拉伸温度传感器的光学策略，该策略制造的传感器器件，即使在高达80%的应变变形下也能保持稳定的性能。具体而言，光学温度传感器是通过将热敏上转换纳米粒子（UCNP）掺入可拉伸聚合物基光纤（SPOF）中制成的。SPOF由可拉伸弹性体制成，采用阶跃折射率芯/包层结构，可有效限制光线。结合在SPOF中的UCNP提供双波长的热敏上转换发射，用于通过近红外激发进行比率温度传感，而SPOF赋予传感器类似皮肤的机械柔顺性和优异的光导特性，用于激光传输和发射收集。研究展示了所提出的传感器在实时监测人体温度和热活动方面的广泛应用，为可穿戴健康监测提供了光学替代方案。
文献链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201902898
Adv. Sci.： 可实现自由运动动物大脑高空间分辨率温度监测的上转换发光光纤微通道传感器
脑温是影响神经活动和功能的关键因素，其波动可能导致急性危及生命的健康并发症和慢性神经病理学。为了监测大脑温度，基于低自发荧光的上转换纳米粒子（UCNP）的发光纳米测温（LN）因其高温灵敏度和高响应速度的优点而受到广泛关注。然而，目前大多数LN都是基于光学成像的，在高空间分辨率下无法对深部大脑区域进行温度监测。
在这项研究中，清华大学孔令杰副教授等人介绍了装载有UCNPs的光纤微通道传感器（FMS）（UCNP-FMS），用于在自由运动的动物深部大脑中以高空间分辨率进行温度监测。UCNP-FMS是通过将UCNP掺入光纤微通道中制造的，光纤微通道的直径约为50µm，通过飞秒激光微加工进行空间分辨传感。UCNP在双波长下提供热敏上转换发射，用于比率温度传感，确保在37°C下的检测精度为±0.3°C。UCNP-FMS的卓越性能通过在各种条件下（如进食、麻醉/清醒和遭受外部温度变化）对自由运动动物的不同脑区进行实时温度监测得到了证明。此外，本研究还表明了UCNP-FMS在哺乳动物大脑中的分布式温度传感能力。与温度成像技术不同，UCNP-FMS可以区分大脑深部区域的温度。通过结合时分复用和波分复用技术，可以实现单个探头在更多部位的温度检测，进一步扩展了多部位温度检测在大脑中的应用。此外，FMS的概念为在体内以高空间分辨率感测各种物理和化学参数提供了一个广阔的平台，这将有利于各种生物医学研究。
文献链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202303527
Anal. Chem.：可用于金属离子比例传感的量子点掺杂锥形水凝胶波导
荧光纳米材料和光子学的进步导致了新一代光子器件在生物传感、诊断和治疗中的应用。然而，对于临床应用而言，生物相容性和组织中有限的光导带来了重大挑战。
在此，清华大学孔令杰副教授等人报告了一种新型的柔软、生物相容性和锥形光波导，能够在深层组织中传输光，并能够作为快速检测金属离子的比率测量探针。波导由掺入量子点（QD）的生物相容性水凝胶制成，并涂有薄传感膜，可确保与周围分析物的快速交换。波导的锥形设计允许更多的光提取，以有效激发涂膜。为了实现比率测量，作者合成了两种具有良好分辨发射带的量子点，并分别固定在波导和涂膜中。研究表明，波导传感器的比率读数不受环境干扰，在各种环境中应用时，如浸入水中或嵌入组织中，读数漂移可以忽略不计。因此，该波导器件提供了一种新的光子传感平台，可以设计用于传感各种金属离子和分析物。
文献链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.analchem.8b03787
