研究方向
光学脑成像与神经信息学
以探索认知神经信息处理机制为研究目标，采用有特色的光学成像技术，包括多光子激发荧光显微成像、光学相干层析成像、内源光学信号成像、激光散斑成像和扩散光学成像等，并结合光学分子标记和微电极阵列技术，在神经细胞（神经元）、神经元网络、特定脑皮层功能构筑以及系统与行为等不同层次开展神经信息的获取与分析新方法研究，为揭示神经信号转导、神经元网络信息加工、传递和整合、皮层快事件相关信号与新皮层神经活动早期响应以及大脑认知活动规律等提供新的系统的实验数据。
研究内容
近红外光学脑成像：研究大脑活动与功能信息的光子学表征规律，发展近红外光学脑功能成像理论和方法。探讨前额叶在记忆编码、记忆提取和工作记忆中的作用，获得前额叶不同功能区域在不同任务时的光子学功能图像及各功能区间相互关系，为揭示前额叶在记忆中的作用提供依据。
脑皮层活动的多参数高分辨光学成像：结合光谱成像与激光散斑成像技术，建立能同时对脑皮层局部血容量、血氧、血流、氧代谢率和血管形态进行多参数、在体高分辨成像的方法与实验系统，实现其与神经电生理信号的同步检测，探索哺乳动物脑皮层活动过程、信息处理机制及脑疾病机理。
培养神经元网络动力学：建立基于多光子成像、微电极阵列（MEA）和荧光基因标记等多种技术的、能用于神经元网络活动研究的新方法，在微电极阵列(MEA)上培养神经元网络，改进和完善多光子显微成像系统，用基于荧光蛋白的探针标记神经元功能信号，实现对神经元网络功能信号和电信号的无损伤、长时间的同步记录。研究长时间、多尺度下神经元网络活动的时--空动力学关系，探索神经元网络的信息加工、传递与整合规律，从而在神经元网络层次探索认知神经信息处理的机制。
光学分子成像与系统生物学
光学分子成像是一种新兴成像方法，可用于从分子到组织甚至个体水平上实时在体研究特异性生物分子的时空动态分布及其相互作用，可在原位实时动态高分辨观测活细胞内分子的功能。具有高时间分辨（可高达飞秒级）空间分辨（可高达亚微米级），具有高的灵敏度（单个分子水平）以及可多种分子同时观测等优点。系统生物学是生命科学领域全新的学科方向，其核心是研究生物系统组成成份及其相互作用关系，被认为是21世纪生物学与医学的核心推动力。在生物医学光子学研究中心的整体框架内，开展基于光子学的系统生物学信息获取和处理的研究，发展面向系统生物学的分析技术和方法，对于揭示生命现象系统水平的基本规律具有不可或缺的重要价值。本研究方向充分利用迅速发展的生命科学、信息科学和分析科学的最新研究成果，发展新的光学分子成像与分析技术，开展多学科交叉研究。
研究内容
活体内生物分子相互作用的光学成像：建立了多项光学成像技术（FLIM，FCS，FRAP，SHG，OCT，PAT等）研究活体内不同层次与尺度的生物分子相互作用、分子在细胞膜表面及细胞内的运动以及信号传递等。
快速分子事件的多参数光学成像：生物网络的快速活动用常规成像方法难以获取。研究快速共聚焦成像及多光子成像技术以满足生物医学对快速分子事件观测的需要。
肿瘤多分子事件的在体光学成像：应用光学分子成像技术对肿瘤的生长、转移过程及治疗中的多分子事件进行动态监测，为抗肿瘤新药的发现和治疗新方法的建立提供灵敏便捷的、高时空分辨的研究平台。
基于光子学的系统生物分析技术：发展面向系统生物学测量的多光子荧光分析技术；建立基于纳/微流控芯片分离与荧光检测平台，探索运用该技术获取单细胞水平的蛋白质组指纹图谱。
数字生命与生物医学信息学
使用光电信息技术和计算机技术获取人体和小动物的结构和功能数据，将该数据转换为可计算模型，以实现人体从基因到分子、细胞、组织、器官、系统和整体的精确模拟，从而构建生命体的结构形态、物理功能和生理功能的数字化生命系统。通过数字化生命系统的研究，为生物医学信息学的临床应用提供服务。
研究内容
生物信息学：利用信息技术管理和分析生物学数据，内容包括基因组结构注释，蛋白质结构与功能分析，疾病基因与药物靶标发现等。
人体和小动物结构与功能数据库的建立：建立人体高分辨解剖结构数据库，实现器官组织的分割、标识、三维建模和可视化；获取小动物的结构、功能、生理病理变化信息，建立结构和功能数据库。
生理组学研究平台：提供一个可计算的框架平台，建立生命系统结构与进化的计算模型，实现从基因到分子、细胞、组织、器官、系统和整体的精确模拟。
医学信息学：通过开展"数字生命"研究，在医学影像、医院信息系统研究、虚拟手术模拟，手术导航等方面进行临床应用。
光学探针与纳米生物光子学
纳米生物光子学是由纳米生物技术与光学交叉、渗透形成的一门新兴学科。纳米光子学技术在生物学中的应用是其研究重点之一，其中，以纳米荧光颗粒和荧光共振能量转移技术等尤为引人瞩目。对于纳米荧光颗粒而言，合成各种纳米荧光颗粒，通过表面修饰的方法使其表面具有生物活性与生物靶向性，从而制备高灵敏度、高稳定性、高特异性的纳米荧光探针，将其用于生物分子的分析以及光学成像研究，可望在生物分子的结构与功能等研究方面发挥重要作用。对于基于荧光蛋白标记的生物分子探针而言，将荧光蛋白基因与感兴趣的蛋白质基因或蛋白酶底物序列相连，构建相应的融合基因型分子探针，将分子功能信号转化为光学信号，应用高时间和空间分辨的荧光显微镜和多种新型成像技术，可在活细胞内实时动态追踪和研究细胞代谢与信号传导过程中蛋白质的精确空间定位、蛋白质间的相互作用及酶活动力学等生物分子功能信息。
研究内容
纳米荧光颗粒：合成各种纳米荧光颗粒，如量子点和纳米荧光硅颗粒，通过表面修饰的方法使其具有生物活性与生物靶向性，从而制备高灵敏度、高稳定性、高特异性的纳米荧光探针。
多元分析技术：利用不同发射的量子点对聚苯乙烯微球进行精确编码，再在各种编码微球表面固定不同的探针，研究基于量子点编码的微球作为载体的多元化分析技术。
光学分子探针：研制了多种基于荧光蛋白的基因型分子探针，用于活细胞内细胞代谢与信号传导过程中的蛋白酶活性监测和蛋白质间相互作用研究。
多模式生物医学成像与组织光学
研究光与不同生理特性的生物组织的相互作用规律，探索生物医学的成像机制，发展多模式生物医学成像方法，建立组织光学特性测量与组织光学成像的实验平台，高时空分辨地获取生物组织结构与功能信息。在此基础上，针对重大疾病的光诊断与光治疗的原理与方法展开研究，以期为疾病的早期诊断、治疗、及疗效评价提供新的途径，并最终服务于临床。
研究内容
组织光学与成像：针对不同尺度、不同生理特性组织，研究光与生物组织相互作用规律，发展扩散光学成像与相干域光学成像理论与方法。
多模式生物医学成像：构建多模式成像系统（光学、超声、X射线等），无损、实时、在体监测肿瘤生长与消亡的动态过程，为肿瘤药物筛选、肿瘤治疗方法评价提供新的手段。
生物组织热响应与热损伤的光学层析成像：利用扩散光学成像及相干域光学成像方法，研究生物组织热响应与热损伤规律，以实现对热疗剂量的准确控制与热疗效果的快速评价。