近日，在HICOOL 2026全球创业者峰会开幕式上，由北京大学牵头、程和平院士担任首席科学家的全景数字生命国际大科学计划（VITAL）正式发起筹备，落地怀柔综合性国家科学中心。

2026年8月26日晚，全景数字生命国际大科学计划在HICOOL 2026全球创业者峰会开幕式上正式发起筹备（央广网发，怀柔区委宣传部供图）

在怀柔科学城，由北大牵头建设的多模态跨尺度生物医学成像设施已经投入运行：全人体正电子发射断层显像/X线计算机断层成像（PET/CT）可以一次完成全身成像；一只自由活动的小鼠能够佩戴2.6克的微型显微镜，研究人员由此观察深脑细胞的动态；冷冻电镜则把视线推向蛋白质等生命分子的精细结构。

这些相距遥远的观察尺度，被整合在同一设施平台中。它也是全景数字生命国际大科学计划的重要支撑。

数字生命需要对三维形态进行静态刻画，还需揭示生命活动的过程和规律。一个数字细胞，要呈现内部组分怎样相互作用、结构和功能怎样随时间变化；一个数字器官，还要反映不同细胞如何协同、局部变化怎样影响整体。模型能否用于研究，取决于它是否能够接受真实应用场景的检验。

构建这样的模型，首先要尽可能真实、连续地记录生命状态，以及这些状态随时间和扰动发生的变化。人体、器官、细胞和分子分处不同尺度，又时刻处于变化之中，所需的数据从哪里来？这座位于怀柔科学城的大设施，正在为回答这一问题提供条件。

看见生命，一座大设施覆盖从分子到人体

2025年3月21日，历经12年筹备、建设和试运行，多模态跨尺度生物医学成像设施通过国家验收。北京大学作为项目法人建设单位，与中国科学院生物物理研究所等单位共同建设这一设施，并依托设施成立国家生物医学成像科学中心，承担开放运行、技术研发和科研组织等工作。

多模态跨尺度生物医学成像设施外景

从空中俯瞰，六栋白色建筑沿黄金螺旋排布。圆形建筑像细胞，也像一只凝视生命的“眼睛”。从建筑布局到内部空间，这里都围绕观察生命的不同尺度和实验条件展开。

设施内部的“生命之眼”设计

样品制备与模式动物中心为生物样品、细胞和动物模型提供实验支撑。多模态医学成像装置主要观察人体和器官，多模态活体细胞成像装置深入细胞和组织，多模态高分辨分子成像装置进一步呈现亚细胞与分子结构。不同装置产生的数据，可进入全尺度图像数据整合系统进行存储、配准、计算和分析。研究人员根据科学问题选择一个或多个平台，使不同尺度的观察形成联系。

北京大学国家生物医学成像科学中心沙盘

设施融合光、声、电、磁、核素、电子等成像手段，记录生命活动的不同侧面。有的适合观察解剖结构，有的能够反映代谢和功能，有的记录神经电磁活动，还有的呈现分子的精细结构。多种成像方式相互参照，有助于突破单一视角的局限。

设施的空间观察范围从埃延伸到米，连接分子、细胞、组织、器官和生命个体。看见不同尺度的生命图景之后，研究人员还要继续追问：一个微小的分子事件怎样改变细胞行为，一群细胞的变化又怎样形成器官乃至整个生命体的表型？

解码生命，在不同尺度间寻找关联

解码生命，需要把整体与局部、结构与功能、静态图像与动态过程联系起来。大设施提供了一条逐层深入、往返验证的观察路径：在人体和器官中发现异常，在活体状态下追踪变化，向分子层面寻找机制线索，再把不同尺度的证据联系起来。

宏观，从人体和器官中寻找异常

对于疾病研究，人体和器官层面的影像往往提供最初的线索。异常发生在哪里，影响了哪些组织，是否与其他器官存在联系，都需要从整体中判断。

设施中的全人体PET/CT拥有2米轴向视野，可以进行单床位全身成像。PET通过示踪剂追踪人体内的代谢和分子活动，CT提供相应的解剖位置。两种信息结合，研究人员可以观察示踪剂在体内如何分布、在哪些器官聚集，以及这种分布怎样随时间变化。目前，这套设备主要服务于科学研究。

磁共振、脑磁图等设备从结构、血流、功能和神经电磁活动等角度提供信息。不同影像彼此补充，使研究人员能够从复杂的整体生命活动中，找到需要进一步追踪的区域和过程。

展厅中关于设施亮点设备的介绍

介观，在活体中追踪细胞变化

从整体影像中发现线索之后，研究还要进入组织和细胞，观察变化怎样发生。固定切片能够保留一个瞬间，连续成像则可以记录细胞器怎样移动、神经元何时被激活、细胞之间如何传递信号。多模态活体细胞成像装置覆盖亚细胞、单细胞、组织和小型模式动物等多个层级，能够在接近生理状态的条件下观察结构和功能变化。

在这里，小鼠可以佩戴微型化双光子显微镜自由活动。2025年发布的新一代多色微型化双光子显微镜重2.6克，可以利用不同荧光标记，记录自由活动小鼠深脑内不同细胞或亚细胞结构的动态。研究人员由此能够把神经信号与小鼠的运动、进食、睡眠等行为对应起来。

微型化多光子显微镜

多色微型化双光子显微镜

稳定的精密观察还依赖建筑内部的工程设计。活体细胞成像装置汇集了30多台超精密设备，细微的地面振动就可能造成图像偏移。为隔绝扰动，设备间的整个地面由压缩空气托起，形成大型气浮平台。精密仪器、建筑结构、环境控制、样品制备和实验流程，共同构成大设施的科研能力。

大型气浮抗扰动平台

微观，从分子结构中寻找机制线索

视线继续深入，问题从“哪些细胞发生了变化”，转向“哪些分子事件可能引起这种变化”。

多模态高分辨分子成像装置可以观察蛋白质、病毒、DNA以及细胞内部的超微结构。冷冻电镜通过对快速冷冻的生物样品成像，在适用条件下获取接近原子尺度的结构信息。研究人员可以由此分析蛋白质如何折叠、不同分子怎样结合、药物可能作用于什么位置。超快电子显微成像等技术则从时间维度提供信息，帮助研究人员观察快速变化的过程。

多模态高分辨分子成像装置楼外观

分子结构提供了机制线索。接下来，还要回到细胞、组织和整体生命体中，检验这些变化与所观察到的功能异常是否存在稳定关联。科学问题由此完成一次往返：从整体表型深入微观结构，再用更大尺度的实验检验最初的解释。

贯通，让局部与整体相互印证

不同设备生成的影像，在分辨率、坐标体系、采样时间和成像原理上各不相同。全尺度图像数据整合系统承担存储、计算、配准和分析任务。更深一层的关联，还要依靠实验设计：围绕同一个问题，将同一样品、对应样本或动物模型在不同尺度上的观测结果进行比较和验证。

多模态影像分析在研究中的应用

北京大学未来技术学院陈良怡教授团队对胰岛素分泌的研究，提供了一个直观例子。

葡萄糖升高后，胰岛会先快速释放一批胰岛素，随后进入持续时间较长的第二相分泌。过去，人们主要从单个β细胞内部的囊泡和分子机制解释这一过程。研究人员在完整胰岛中同时观察囊泡融合、单个β细胞活动和整个胰岛的分泌反应。在该研究的观察条件下，表现出明显分泌活动的β细胞约占四成；不同细胞在时间上的同步与不同步，共同参与形成两相分泌。在肥胖模型小鼠中，这些细胞的数量和分泌模式又出现了异常。

研究由此将胰岛素两相分泌呈现为一种由不同β细胞协同形成的组织功能。囊泡层面的信息难以解释整个胰岛的分泌节律，组织层面的观察又无法确定差异来自哪些细胞。只有当囊泡胞吐、单个β细胞分泌和胰岛整体功能三个尺度被联系起来时，原本分散的现象才构成一条较完整的机制证据链。

这项研究完成于设施通过国家验收之前，可以看作跨尺度研究方法的先行样本。大设施为把这样的观察方式扩展到更多尺度、成像模态和生命科学问题提供了条件，并通过数据系统将图像转化为可以比较、计算和建模的信息。

建模生命，让数字模型接受实验检验

从看见生命、解码生命走向数字化重建，需要多模态跨尺度成像、空间组学和可验证计算模型等方面的共同支撑。成像设施承担其中一项基础任务：持续获取真实生命的结构和功能数据，并为数字模型提供实验验证条件。

未来，当模型预测某类分子变化可能影响细胞和器官功能时，研究人员可以据此设计跨尺度成像实验，再用实验结果校正模型。数据支持模型建立，模型提出新的问题，实验检验模型预测，由此形成可以反复迭代的研究过程。

围绕数字生命，北京大学已开展多年科研工作和组织准备工作。2025年4月，北大依托成像设施启动首批数字生命重大项目布局，数字线虫、数字肾脏、数字胰岛等样板方向逐步推进。2026年4月，北京大学与中国科学院相关研究所、清华大学、武汉大学等10家单位签署合作备忘录，推动全景数字生命国际大科学计划的国内协作进一步展开。2026年8月，HICOOL 2026全球创业者峰会发布进一步启动了国际化组织机制、共同标准、跨国验证网络和怀柔承载体系的筹备工作。

2025年4月，北京大学依托成像设施启动首批“数字生命”重大项目布局

2026年4月21日，全景数字生命国际大科学计划战略研讨会在北京大学举行

大设施也在开放运行中积累数据和使用经验。目前，设施已服务30多家单位的400多个课题组，机时使用量超过4万小时，近100台套核心成像设备面向科研机构和企业用户预约开放。不同学科的研究人员在这里使用设备、开展实验，为形成可复用的数据和方法标准创造条件。

对全景数字生命国际大科学计划而言，大设施的价值不只在于产生更多、更清晰的图像，而在于让数字模型提出的预测回到真实生命系统中接受检验。图谱告诉研究人员“有什么、在哪里”，模型进一步回答“哪些状态和规则决定下一步变化”，而只有能够经受前瞻性扰动检验的模型，才可能成为真正的数字孪生。从分子到人体，从一次快速反应到疾病的长期演变，北大正在尝试把过去分散的观测能力连接起来，也把“看见生命”与“验证生命”放进同一条科学链条。