便携微型显微镜

据国外媒体9日报道，它和一枚50便士的硬币一样重，小到足以放到裤子口袋中，但这种开创性新型显微镜的作用可没有大打折扣。这种装置叫Foldscope，可提供2000多倍的放大效果，有望彻底改变放大物体的方式。　　一种可能彻底改变物体放大方式的新型显微镜已在秘鲁亚马逊雨林进行测试。这张照片显示，几只蚂蚁在显微镜下保护一只水蜡虫。　　这种装置叫Foldscope，可提供2000多倍的放大效果，它和一枚50便士的硬币一样重，小到足以放到裤子口袋中，或许会彻底改变物体放大的方式。　　波梅兰茨对这种微型显微镜进行了测试。这位野外生物学家在南美洲用它拍摄到鼠尾草花的这张特写照。　　波梅兰茨对这种微型显微镜进行了测试。这位野外生物学家在南美洲用它拍摄到鼠尾草花的这张特写照。　　美国加利福尼亚州洛杉矶市野外生物学家波梅兰茨(照片显示)测试了微型显微镜Foldscope。　　照片显示，一只蜘蛛感染冬虫夏草。这种寄生真菌取代了蜘蛛体内的组织。　　在这张用手机拍摄的照片中，100美元纸币的纤维清晰可见。　　波梅兰茨将微型显微镜Foldscope连接到手机上，然后拍摄到这些不同寻常的照片。　　这张用微型显微镜Foldscope拍摄的照片展示了一株马利筋草的绚烂细节。美国野外生物学家艾伦-波梅兰茨对它进行了试验。他在秘鲁亚马逊雨林中停留一个月，用这种微型显微镜捕捉到一系列惊人照片。这位25岁科学家用它拍摄了一组照片，展示了一只被感染的蜘蛛和一片被虫瘿覆盖的叶子。其他照片还展示了一朵花瓣的细胞和一只未知螨虫的放大图像。　　美国加利福尼亚州洛杉矶市的波梅兰茨表示：“使它成为革命性工具的是它探测致病因素或研究未知物种的方式。还有一点就是它的售价不到1美元。这使它可以得到广泛使用，或许适用于数百万人，例如孩子、医护人员和野外生物学家等。有时我们在野外根本不知道我们要观察什么，直到很晚的时候才明白这一点。”　　这位科学家说：“在有些情况下，你回到实验室，想获得一些不同于野外的发现，例如收集更多信息或进行更多的观察。但微型显微镜Foldscope使你在野外就可直接研究目标，然后你可以带它们回实验室，开展更加细致的科研工作。”　　波梅兰茨将微型显微镜Foldscope连接到手机上，然后拍摄到这些不同寻常的照片。该装置的尺寸是70毫米乘20毫米，重量仅0.3盎司(约合8.5克)。相比之下，一部传统显微镜却重达512盎司(约合15公斤)。　　不到10分钟内，可将一张平面纸组装成微型显微镜Foldscope。使用者可用折纸方法将它制作而成。这种微型显微镜是加利福尼亚州斯坦福大学生物工程系普拉卡什实验室一个研究小组的智慧结晶。　　波梅兰茨说：“微型显微镜Foldscope并不能替代可提供更高分辨率、更强大的传统显微镜。但后者有很多缺点，例如很大，又昂贵，还只能在实验室内使用。微型显微镜Foldscope被设计成一种便携式工具，可随时随地使用，让你及时近距离观察微观世界。我认为它不会取代传统显微镜，却毫无疑问，它会弥补传统显微镜的不足。大多数孩子从未用过传统显微镜，所以微型显微镜Foldscope可帮助贫穷地区的学生探索微观世界和科学。”

p 　　从石器时代原始部落的祭师对灵魂的崇拜，到中世纪后期哲人对大脑意识的产生溯源，到近代解刨学家发现井然有序的大脑功能分区，再到20世纪初Santiago Cajal得到了人类第一张清晰的大脑皮层神经元的照片，直至现在神经学家通过电生理，电子显微镜，光学显微镜等手段，在亚细胞，分子，基因水平对大脑的结构和功能进行研究，神经科学(neurosciences)这一门古老的学科，直至今日，仍然是全世界投入最大，最活跃的科学研究领域之一。 /p p 　　限制科学家去理解和探索大脑的最主要因素是技术。每一次神经领域的重大突破，都是以技术的一次次革命与飞跃作为基础随之而来。19世纪末高尔基染色和尼斯染色技术的发明，使得单个神经元的结构得意完整清晰的呈现，并由现代神经学之父圣地亚哥· 拉蒙· 卡哈尔(Santiago Ramon y Cajal,1852-1934)总结并开创了神经元理论，至今仍是现代神经科学的基础。计算机体层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、经颅多普勒(TCD)、单光子发射计算机断层(SPECT)、正电子发射断层扫描(PET)等无创性影像学技术的发展，使得人类对大脑整体水平结构和功能的认识不断提高，并且对于大脑创伤和疾病的治疗提供了有利的参考工具。在实验神经科学领域，以模式动物作为研究对象，避免了把人作为研究对象在有创，改造等伦理方面的限制，使得更多的技术手段得以大显身手。其中包括电生理学方面，脑电图(EEG)，多电极记录(MER)，膜片钳技术(patch clamp)等技术的发明和有效使用，得以使科学家在亚微米空间尺度(单个神经突触连接)，亚毫秒时间尺度(单次神经冲动电位)对神经元的功能进行研究。而最令人激动人心的是，近几年来蓬勃发展的光学显微成像技术，给实验神经科学带来了很多前所未有的思路和成果。2008年钱永健等人由于荧光蛋白(GFP，绿色荧光蛋白)的发现和使用，获得了诺贝尔化学奖，是对荧光成像技术的一次巨大肯定和推动。光学成像本身具有高分辨率、高通量(高速)、非侵入、非毒性等特点，再与荧光蛋白以及荧光染料等标记物在细胞中的定位与表达技术相结合，使得科学家可以特异性的分辨生物体乃至细胞内部不同结构与成分，并且能够在生命体和细胞仍具有活性的状态下(活体状态)对其功能进行动态观察。这就使得荧光成像技术成为了无可替代的，生物学家现今最为重要的技术手段之一。而随着近些年来各种新型的显微技术的出现，共聚焦显微镜(confocal microscopy)，相干拉曼成像(CARS)，超分辨率显微技术(super-resolution microscopy)，光片显微技术(lightsheet microscopy)等使得荧光显微镜的分辨率，速度，成像深度等进一步提高。 /p p 　　对于荧光成像技术在神经科学中应用，离不开双光子荧光显微镜(Two-photon Microscopy，简称TPM)1。目前，大多数细胞生物学，生理学研究主要还是在离体培养的细胞体系中研究。然而与细胞生物学研究有所不同的是，大脑的功能研究的整体性和原位性显得更加关键：仅研究分离的神经元无法解释神经系统的功能和规律。换句话说，必须要求神经元处在其正常生存的大脑环境中才能使其正常运转。然而，大脑是一个高度复杂的器官。即使是小鼠的大脑皮层也有将近1mm的厚度，海马，丘脑等深脑区核团更是深达3-5mm2，而且并不透明，充满了数以亿计的神经元胞体和突触，此外还有丰富的血管，粘膜(脑膜)，最外层还有厚厚的颅骨和头皮包裹。使用包括共聚焦显微镜在内的传统的荧光显微镜，由于被观测的信号会受到样本组织的散射和吸收，根本无法穿透如此深的组织进行成像。而双光子显微镜的发明，则为此类研究带来了希望。双光子显微镜特有的非线性光学特性，再加上其工作波长处在红外区域等特点，令其在生物体组织内的穿透深度大大提高3，使得双光子显微镜成为神经科学家进行活体神经成像最理想的工具。神经动作电位(action potential)本身很难被光学信号捕获，但是动作电位产生的去极化会引起神经元Ca2+浓度的变化(钙内流现象)。科学家已经开发出多种Ca离子浓度的荧光探针，进而通过这种钙离子浓度的变化引起的荧光信号的变化来反映出神经活动。于是，双光子显微镜与在体的神经元Ca离子浓度指示剂标记技术相结合，碰撞出了耀眼的火花: 使得人们可以研究处于生理状态时的动物大脑内的神经元活动4。 /p p 　　大脑的最重要功能是对生物体的行为活动进行调控，而反过来，最能反应大脑工作状态的同样是生物体的行为活动。所以说，为了了解大脑，研究者不仅要求在体状态下对神经元进行高分辨率观测，而且也希望生物体在被观测的阶段里，能够进行正常的行为活动。所以，在成像技术不断地提高分辨率和速度等性能的同时，科学家们也在积极开改进和革这些成像技术手段，使其进行成像时尽可能小的限制被观测对象的行为活动，以求得到最接近生理状态下的数据。但是这一目标始终存在诸多的技术瓶颈: 以啮齿类动物(大鼠或小鼠)神经元的双光子钙成像为例。早些年由于动物身体运动产生的晃动剧烈，而当时双光子显微镜成像速度又很低，所以科学家只能在麻醉状态下对头部固定的动物进行成像。后来随着成像速度的提高，并且对开颅手术技术的很大改进，使得科学家可以在清醒状态下对动物的神经活动进行观察(仍然需要头部固定)。近些年来，随着基因改造技术的突飞猛进，通过病毒转染和转基因技术，在神经元内源性表达“基因编码类钙指示剂(genetically encoded calcium indicator, 简称GECI)”成为神经元钙成像的大趋势4。这种由神经元自身产生钙指示剂的方法与之前的钙染料技术相比有着巨大的优势: 信噪比提升了一个数量级 对神经元特异性好，可以区分不同的神经元类型 并且可以在大脑神经元内持续表达数月(病毒转染)甚至整个生命历程(转基因动物)。于是，大概10年前开始，科学家就开始利用双光子成像结合GECI技术对神经元的活动和结构变化进行长期的观测和追踪，从而对记忆的形成，神经元病变等问题有了更深入的认识。其中，现在性能最好，使用最为广泛的GECI为绿色荧光钙调蛋白Gcamp家族4。目前已经改进到第六代，Gcamp6f，Gcamp6f已经成为神经成像里最受欢迎的指示剂之一。目前科学家最流行的对小动物行为过程中大脑活动进行成像的方法，是将虚拟现实与双光子成像相结合，在动物头部被固定的情况下，在其眼前制造影像，让动物认为自己处在”真实“的环境之中5。通过小鼠四肢在类似跑步机或者鼠标滚球上的运动来模拟其真实活动。以求达到研究神经元在动物行为中所起到的作用(如图1)。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/e167bfbc-be4e-4b26-aa38-6f15b1fdca08.jpg" title=" 1.png" width=" 600" height=" 429" border=" 0" hspace=" 0" vspace=" 0" style=" width: 600px height: 429px " / /p p style=" text-align: center " 图1 双光子成像结合虚拟现实场景，对头部固定，身体活动的动物进行研究。图片来自 sup 5 /sup /p p 　　然而，这种虚拟现实加头部固定成像的方法，已经遭到许多科学家的质疑。人们认为，头部固定的动物在实验期间一直处在物理约束和情绪压力下，因此无法证明神经元对外界的响应在虚拟现实和自由探索下是等价的。更重要的是，许多社会行为，比如亲子护理，交配和战斗，都不能用头部固定的实验来研究。如何在动物自由活动的时候，直接对其神经元进行成像，是神经科学家还未能得到解决终极的诉求。 /p p 　　一个理想的解决方案是开发微型荧光显微镜直接固定在自由活动的动物身上，让动物“带着显微镜跑”6。这种尝试大概从20年前开始。起初，科学家只是将一根或几根光纤插到小鼠头上，用以激光导入和荧光信号采集。然而，这种方式而只是记录某个区域内信号的总和，不具有空间分辨率，算不上真正意义上的成像。在最近的十几年里，由于光学，电子，材料技术的发展，人们开始尝试研制真正意义上的微型显微镜。其中，微型单光子宽场显微镜(miniature wide-field microscope)，由于其原理与结构相对简单，是目前人们主要尝试研制的微型显微镜技术。例如由Ghosh及其同事开发的显微镜，通过将小型LED光源，微型CCD和自聚焦透镜整合到一个小于25px3的框架之中，研制出了一个重量为1.9g的微型宽场显微镜。该技术被用于研究大脑海马区place cell等与记忆和本能相关的实验当中7。然而，宽场成像方式由于不能很好的对离焦区域的背景信号进行过滤，并且对光的散射敏感，所以其无法达到细胞分辨率。更难以对更精细的诸如树突，轴突，树突棘等结构进行观察。所以一直难以达到神经科学家满意。 /p p 　　于是，从大概15年前开始，世界上一些研究和开发双光子成像技术的研究组开始尝试将双光子显微镜这种在神经成像领域已经获得广泛应用的技术进行微型。然而，目前只有为数不多的几个课题组报道了他们在微型双光子显微镜研制方面的进展: 在2001年，Denk等的工作被认为是研制微型双光子显微镜的第一步8。然而，它仍然太过“巨大”(长7.5厘米，重25克)，而且成像速度很慢(2 Hz 128x128的尺寸下速度为2 Hz， 512x512的尺寸下为0.5 Hz，如图2a)。之后，其他一些课题组相继报道了不同的微型双光子系统。 Helmchen课题组在2008年报道了他们的微型双光子系统，仅重0.9克9。它实现了512X512幅面下的8 fps的成像速度速度，并展示了利用该系统实现的大鼠在体钙成像信号。然而，从展示的效果来看，其空间分辨率极低，而且并没有实现真正的自由运动下的成像(如图2b)。Mark Schnitzler课题组在2009年也发表了他们的微型双光子系统10。他们的系统首次使用了微机电扫描镜(MEMS)来进行扫描，并将Z聚焦模块集成在了探头之中(如图2c)。但是扫描频率仍然很低(400x135约为4Hz) 空间分辨率也远远达不到要求(横向1.29 μm，轴向10.3 μm)。这些方面限制了其在神经元细胞核亚细胞水平成像中的应用。 Kerr课题组在2009年展示了它们的系统11，跟之前的微型双光子显微镜相比较，由于应用了微型透镜组构成的微型物镜(NA达到了0.9)，这套系统的空间分辨率更高。然而，这套探头的重量也随之提高(5.5g)。此外，由于其仍然使用振动光纤的方式来进行扫描，所以其成像速度仍然比较慢。(对于64x64为10.9Hz，对于理论上的512x512为1.25Hz)(如图2d)。此外，还有一个之前所有的微型双光子系统都没有解决的问题。由于微型双光子显微镜一般需要利用光纤将飞秒激光导入到探头之中，而光纤由于存在诸如色散、截至模式、导通带宽等一系列限制，所以某一款光纤一般只允许一定带宽(一般为几十纳米)和特定中心波长的光传播。那就需要在制作微型显微镜的时候，结合使用的荧光指示剂所需要的激光波长对光纤进行选择。但是，目前商业化的，可以用来进行飞秒光传输的空心光子晶体光纤(hollow-core Photonic Crystal Fiber， HC-PCF)种类非常有限。例如，全球最大的光子晶体光纤生产商NKT公司仅提供中心波长为800nm，1030nm，1300nm和1550nm的HC-PCF。所有现有的微型双光子显微成像系统都是基于这几款光纤所限定的中心波长进行开发的。但是很遗憾的是，本文上述所提到的目前最广泛使用的GcamP指示剂需要920 nm的激光进行激发。所以先前的所有微型双光子都不能对Gcamp进行有效的成像。这限制了微型双光子显微镜的发展。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/4c1d7c1d-53eb-4a41-96d0-98ecb5ebda8d.jpg" title=" 2.png" / /p p style=" text-align: center " 图2 微型双光子发展史上的几个典型工作。a、b、c、d分别选自参考文献 sup 8、9、10 /sup 和 sup 11 /sup /p p 　　之所以这些早期的微型化双光子显微镜都无法得到真正的使用和推广，其原因在于，若要制造出具有实用价值的微型双光子显微镜，比研制单光子微型显微镜复杂和困难的多得多。微型双光子显微镜需要需要解决如下几个关键技术难题： /p p 　　1 如何将飞秒激光有效的导入微型显微镜 /p p 　　2 如何在微型显微镜内进行扫描/图像重建 /p p 　　3 如何在微型显微镜中进行高质量的激光汇聚，高效激发双光子信号。 /p p 　　4 如何有效的对荧光信号进行收集 /p p 　　5 如何使整个系统在动物剧烈运动时仍保持稳定 /p p 　　6 在满足前5项条件下，重量是否足够轻，以致尽量小地对动物的活动造成影响 /p p 　　本文作者所在的课题组，是由北京大学分子医学研究所、信息科学技术学院、动态成像中心、生命科学学院、工学院联合中国人民解放军军事医学科学院组成跨学科团队。我们在程和平院士的带领下，在国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制专项《超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统》的支持下，历经三年多的协同奋战，成功研制了新一代高速高分辨微型双光子荧光显微镜，并将其取名为FHIRM-TPM。原始论文于5月29日在线发表于自然杂志子刊Nature Methods (IF 25.3)12。在这项成果中，我们解决了上文所提及的早先微型化双光子显微镜研制中存在的问题，获取了小鼠在自由行为过程中大脑神经元和神经突触活动清晰、稳定的图像。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/0418a0a6-f357-4e18-91b0-ef1c23d670bd.jpg" title=" 3.png" width=" 600" height=" 470" border=" 0" hspace=" 0" vspace=" 0" style=" width: 600px height: 470px " / /p p style=" text-align: center " 图3 FIRM-TPM示意图，来自 sup 12 /sup /p p 　　新一代微型双光子荧光显微镜体积小，重仅2.2克，适于佩戴在小型动物头部，通过颅窗实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号。在大型动物上，还可望实现多探头佩戴、多颅窗不同脑区的长时程观测。相比单光子激发，双光子激发具有良好的光学断层、更深的生物组织穿透等优势，所以成像质量远优于目前领域内主导的、美国脑科学计划核心团队所研发的微型化宽场显微镜。其横向分辨率达到0.65μm，与商品化大型台式双光子荧光显微镜可相媲美 采用双轴对称高速微机电系统转镜扫描技术，成像帧频已达40Hz(256*256像素)，同时具备多区域随机扫描和每秒1万线的线扫描能力。最为重要的是，FHIRM-TPM克服了先前限微型双光子显微镜应用的两个障碍。首先，我们定制设计的HC-PCF为 920纳米飞秒激光脉冲提供了无畸变传输，这种改进让有效的激发例如Thy1-GFP和GCaMP-6f等常用荧光指示剂成为可能。第二，由于双光子点扫描显微镜的高空间分辨率和层切能力，安装到动物头上的微型双光子显微镜非常容易受到运动伪影的影响。为了解决这个问题，我们对整个系统进行了充分的优化：(a)使用柔软的新型光纤束SFB来使得动物运动引起的扭矩和拉拽力最小化，并不降低光子收集效率 (b)采用独立的可旋转连接器来连接光学探头上的光纤和电线，以使动物在自由探索期间线的扭曲和缠绕最小化 (c)使用高速成像以减少运动引起的帧内模糊。此外，我们在实验之前预先训练动物适应安装在其头骨上的微型显微镜，并滴加1.5%低熔点琼脂糖使其充满物镜和脑组织之间，这些措施都显著降低了探头与大脑之间的相对运动，进而改善了实验短期和长期的稳定性，于是实现了在动物进行包含大量身体和头部运动的行为学试验中中进行高分辨率成像。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/0d8849db-62d7-4fdd-b7e0-4e572b3a1b03.jpg" title=" 4.png" width=" 600" height=" 437" border=" 0" hspace=" 0" vspace=" 0" style=" width: 600px height: 437px " / /p p style=" text-align: center " 图4 FIRM-TPM实物图，来自 sup 12 /sup /p p 　　树突棘活动是神经元信息处理的基本事件，利用台式双光子显微镜在头固定的动物上的研究表明单个神经细胞的不同树突棘可以被不同朝向的视觉刺激或不同强度频率的声音刺激所激活。FHIRM-TPM实现了与传统的大型的台式双光子显微镜相同的分辨率和光学层切能力。与微型宽场显微镜相比，FIRM-TPM的高空间分辨率，固有的光学切片能力和组织穿透能力以及相当的机械稳定性都是极有优势的。所以虽然通过微型宽场显微镜可以获得数百个神经元在细胞水平上的活动，但是我们的 FHIRM-TPM无疑提供了一个更加强大的工具，即在自由活动的动物中对更加基本的神经编码单位——树突棘的时空特性进行观测。它能够在对小鼠依次进行的行为学试验(例如悬尾，跳台，以及社交行为)的过程中长时间观察位大脑中的神经元胞体、树突和树突棘的活动。这些功能的展示充分证明了FHIRM-TPM具有良好的性能和稳定性。未来，与光遗传学技术的结合，可望在结构与功能成像的同时，精准地操控神经元和大脑神经回路的活动。微型双光子荧光显微镜整机性能十分稳定，可用于在动物觅食、跳台、打斗、嬉戏、睡眠等自然行为条件下，或者在学习前、学习中和学习后，长时程观察神经突触、神经元、神经网络、远程连接的脑区等多尺度、多层次动态变化。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/90a13003-d9fd-404d-8df3-64926f598012.jpg" title=" 5.png" width=" 600" height=" 283" border=" 0" hspace=" 0" vspace=" 0" style=" width: 600px height: 283px " / /p p style=" text-align: center " 图5 三种模式在结构学成像中的成像质量对比，来自 sup 12 /sup /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/44bc19d8-0a51-4583-8784-2f9240ac1cdd.jpg" title=" 6.png" / /p p style=" text-align: center " 图6 FHIRM-TPM在三种不同的行为学范例对小鼠大脑皮层神经元活动进行成像，来自 sup 12 /sup /p p 　　从2001年Denk发表第一篇微型双光子显微镜的原型机以来，微型双光子显微镜的发展已经走过了15年的时间。15年的发展历程，微型双光子显微镜从最开始的25克笨重的身躯，只能在分离的组织中进行验证性的实验8到如今重量仅两点几克重，可以对自由活动的小鼠神经元进行树突棘级别的成像，可以说取得了一定的进步。然而，在看到这个领域取得的成就的同时，也应看到，至今为止，微型双光子显微镜还未像共聚焦显微镜或者是荧光光片显微镜一样被生物学家广泛认可和应用。而后者(光片显微镜)的发展时间更短(2008年Science的一篇文献一般被认为是现代荧光光片显微镜镜的开端13)。究其原因，除了技术本身的限制以外，整个研究领域的气氛和投入，也是重要的影响因素之一。 /p p 　　纵观这15年来微型双光子显微镜的发展道路，开疆拓土者有之 改革创新者有之 另辟蹊径者有之 浑水摸鱼、指鹿为马者亦有之。然而遗憾的是，愿意心无旁骛、全情投入者鲜有之 有意愿和能力建立为这个研究的领域建立范式者亦鲜有之。而中国，在不久前在这个领域基本上属于完全的空白。更不要说什么领先世界。 /p p 　　然而令人十分兴奋的是，中国国家基金委国家重大科研仪器设备研制专项在2014年正式将“超高时空分辨微型双光子在体显微成像系统”立项。以5年七千两百万人民币的研究经费对这一项“世界上做的还并不怎么好，中国基本没人做过”的技术进行攻关研发。这样的大力投入无疑为这一领域注入了新鲜血液和十足动力。而我也有幸在博士五年期间全程参与了这个项目的工作。从2012年来到该项目首席负责人程和平院士和陈良怡研究员的联合课题组至今，我见证了这个项目从无到有，团队从幼小稚嫩到壮大成熟的整个过程。如今，我们有了初步的成果，不仅让我们这样一支完全由中国本国科研工作者建立的团队在世界上处在了较为领先的位置，同时也把这个领域向前推动了一些，我感到无比激动和自豪。 /p p 　　该成果在2016年底美国神经科学年会、2017年5月冷泉港亚洲脑科学专题会议上报告后，得到包括多位诺贝尔奖获得者在内的国内外神经科学家的高度赞誉。冷泉港亚洲脑科学专题会议主席、美国著名神经科学家加州大学洛杉矶分校的Alcino J Silva教授在评述中写道，“从任何一个标准来看，这款显微镜都代表了一项重大技术发明，必将改变我们在自由活动动物中观察细胞和亚细胞结构的方式。它所开启的大门，甚至超越了神经元和树突成像。系统神经生物学正在进入一个新的时代，即通过对细胞群体中可辨识的细胞和亚细胞结构的复杂生物学事件进行成像观测，从而更加深刻地理解进化所造就的大脑环路实现复杂行为的核心工程学原理。毫无疑问，这项非凡的发明让我们向着这一目标迈进了一步。” /p p 　　1. 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今年2月上旬，神舟十五号航天员乘组使用空间站双光子显微镜，开展在轨验证实验任务并取得成功。这是目前已知的世界首次在航天飞行过程中，使用双光子显微镜获取航天员皮肤表皮及真皮浅层的三维图像。　在南京脑观象台投入使用的微型化双光子显微镜成像系统。　　“第三次双光子显微镜测试顺利结束！”　　“无比完美！”　　“这一次的曲线如此丝滑！”　　……　　4月1日上午，中国科学院院士、北京大学未来技术学院教授程和平的微信对话框，被同事们发来的这些评论不断刷新。而在中国航天员科研训练中心内，掌声此起彼伏。让大家欢欣鼓舞的，是中国空间站再次传来的好消息。　　当日，神舟十五号航天员乘组，使用空间站双光子显微镜进行成像测试。他们用探头轻轻掠过脸部和前臂，一旁的电子屏幕上立即显示出皮肤结构及细胞的三维分布影像。　　这不是显微镜第一次在轨成像测试。今年2月上旬，神舟十五号航天员乘组使用空间站双光子显微镜，开展在轨验证实验任务并取得成功。这是目前已知的世界首次在航天飞行过程中，使用双光子显微镜获取航天员皮肤表皮及真皮浅层的三维图像。　　“如果能从这些图像中发现空间环境中人体变化规律，就更好了！”程和平捧着手机与记者分享这些科学图像时说。　　只有了解程和平团队十年来经历的艰难曲折，才能体会这些图像的来之不易。2013年，程和平带领团队开启微型化双光子显微镜研究时，“全世界都不看好”。　　历经10年，该团队完成了从科研仪器技术创新，到技术产品化，再到技术服务平台化的跃迁。他们将中国带到全球大脑成像研究的前沿，让微型化双光子显微镜在中国的高校院所、企业得到推广应用，为脑科学研究搭建起重要实验平台、提供了海量数据支持。　　程和平希望，用微型化双光子显微镜拓展人类对脑宇宙的认知疆域，为探索脑机接口原理、深化对大脑疾病机制的了解、推进药物研发开辟一片新天地。神舟十五号航天员乘组在轨使用空间站双光子显微镜（视频截图）　　一束光的启迪　　意识的生物学基础是什么，记忆是如何存储和恢复的……在世界各国的脑科学计划中，这些问题吸引着全球科学家们不断上下求索。　　在2021年国际权威学术期刊《科学》发布的125个最前沿的科学问题中，有22个问题与脑科学相关。　　双光子显微镜的出现，仿佛是照在生命科学研究领域的一束光。　　1992年，程和平用世界上第二台双光子显微镜，首次实现了心肌线粒体成像。　　“双光子显微镜，是用两个光子同时激发同一个荧光分子的光学成像技术。它具有天然的光学断层扫描效果，能看到的组织深度更深，成像的清晰度更高，像一个高性能的X光机。”程和平说，与单光子显微镜相比，双光子显微镜看得准、看得深、光损伤小。但传统的台式双光子显微镜非常笨重，足有房间那么大，所以只能观察头部固定的动物或者动物的脑切片。　　研究一款微型化双光子显微镜，观察自由行走的小动物脑袋中的一颗颗神经元的动态变化，成为程和平藏在心底的一个梦想。　　一个梦想的点燃，有时只需一个使命的召唤。　　2013年，国家自然科学基金委员会启动了国家重大科研仪器研制项目。程和平带队申请了“超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统”项目。　　那一年，美国启动“创新性神经技术推动的脑计划”，欧盟启动了旨在建立大型脑科学研究数据库和脑功能计算机模拟平台的“人脑计划”。　　而此前，我国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中，已把“脑科学与认知”列入基础研究8个科学前沿问题之一。　　“中国科学家只有用自己研发的观测仪器，做出原创性的脑科学成果，国际科学界才会认可。我们希望研制一款成像仪，率先让中国科学家用起来。用国外的仪器做研究，都是在别人建设的四梁八柱上做文章。”程和平用使命必达的决心来筹备项目的启动。　　一场跨越山海的探索　　想实现双光子显微镜在自由活动的动物体上的高清成像，必须为它“瘦身”。　　然而，极大的技术难度，让团队一度面临质疑。程和平向科技日报记者坦言，7200万元的投入“相当于一吨百元大钞”，究竟能不能收获一个看得见的未来，大家当时心里很忐忑。“那时世界多国尝试微型化双光子显微镜的研制，但都没有实质性突破，尝试十几次都无疾而终。”他说。　　程和平所言非虚。2008年，瑞士有课题组公布了他们的微型双光子系统，仅重0.9克，并实现了大鼠在体钙成像信号。但其空间分辨率极低，也未实现真正的自由运动下的成像。　　2009年，德国有课题组展示了它们的微型双光子系统，其理论分辨率接近大型的双光子显微镜。但其探头较重，扫描速度很慢。　　程和平身后，有一支不同寻常的团队，团队中有人研究超快激光器，有人专攻高速电路，有人擅长图像处理，有人能做大数据分析……然而，研究起步阶段，团队中无人具备研制系统性科研设备的经验，技术路线也不确定。　　“怎么办？只有一点点地认真做。”程和平给团队立下军令状。　　在项目开始的前两年，大家争分夺秒地汲取多学科的营养。在北京大学分子医学研究所300平方米的大仪器联合实验室里，来自机械、光学、生物、电路等研究领域的师生汇聚在一起，交流切磋。每周六上午的集体学习，大家分享一周行业动态，介绍各自研究进展。同时，大量的国内外顶尖专家被邀请来作报告。　　引进来的同时，团队也频频走出去。仅2014年，他们就涉足美国、俄罗斯、澳大利亚、西班牙。每去一个地方，大家都会在当天晚上写好总结，发给团队共同学习。空间站双光子显微镜对航天员皮肤表层成像。　　一场持续十年的攻关　　2017年，团队终于迎来了振奋人心的进展。　　在如今北京大学膜生物学国家重点实验室设备研发平台内，一个只有拇指大小、重约2.2克的显微镜探头，被珍藏在实验室深处——这是团队于2017年成功研制的第一台微型化双光子显微镜的核心部件。　　这台显微镜可以实现高时空分辨微型化成像，能实时记录数十个神经元、上千个神经突触动态信号。这些突破性的进展，使其入选2017年中国科学十大进展。　　4年后，该团队推出微型化双光子显微镜的2.0版本，其成像视野扩大到初代显微镜的7.8倍，同时具备三维成像能力，获取了小鼠在自由运动行为中大脑三维区域内上千个神经元清晰稳定的动态功能图像。　　今年2月，团队又发布了他们研制的微型化三光子显微镜。该显微镜能直接透过大脑皮层和胼胝体，首次实现对自由行为中小鼠的大脑全皮层和海马神经元功能成像，神经元钙信号最大成像深度可达1.2毫米，血管成像深度可达1.4毫米。　　致广大而尽精微。10年，微型化双光子显微镜完成了从高清成像，向更广、更深成像的科研布局。然而，这在研制一款“大国重器”的探索之旅中，也许仅仅是开始。　　2016年，当第一代微型化双光子显微镜的研究即将“破土”时，一个声音再次在程和平脑海里回响，“如果投入‘一吨百元大钞’，只是交付3台显微镜，性价比太低了。应该先让中国科研院所、企业的实验室用起来，做出领先国际的研究，再向国际市场推广。”　　让程和平下定决心办公司的，还有3年来培养起来的一支团队。“国家投入这么大，让我们长了一身本事，项目结题后如果团队散了就太可惜了。”程和平说。　　办公司让研究成果产品化，成为程和平团队的共识。2016年，程和平团队创立了北京超维景生物科技有限公司（以下简称超维景）。　　一个新时代开启了。　　一场自立自强的产业突围　　当科学技术的光芒照进产业，不仅砥砺技术创新的成色，也可以点亮一片“暗夜”。要将高端精密科研仪器产品化，元器件的可靠性、稳定性必须过硬。　　微型物镜，是微型化双光子显微镜的关键核心零部件。团队核心成员、北京大学未来技术学院特聘副研究员吴润龙记得，最初做原理样机时，团队从国外一家公司进口微型物镜。　　但当团队进入显微镜产品化阶段后，对方的发展战略也发生变化。“对方要求我们购买他们合作伙伴的单光子显微镜系统，物镜不再单独售卖，而这个系统的价格要100多万元。代价太大，我们不能被‘卡脖子’。”吴润龙说，自此，团队开始自行设计高数值孔径的微型物镜，并联合国内企业加工，在超维景进行装配和测试。　　自胜者强。2018年，赵春竹到北京大学未来技术学院做博士后研究，为助力物镜的自主研发按下了快进键。　　“经过三代技术攻关，我们已经掌握了高端物镜的设计技术。但在自主设计、加工的基础上，还要形成高精度自主装配的流程和方法。微型物镜由多个镜片叠加而成，每片直径约3毫米，最初我们将所有的镜片一起装配完后，统一调试，但发现精度相差太大。后来，我们优化了装调工艺，每安装一片镜片，都用仪器检测光轴偏移量、焦距等参数。由于物镜直径太小，一开始，调整几微米的误差，都要耗时一两天。”赵春竹回忆，最艰难的时候，大家几乎绝望。但抱着不破楼兰终不还的信念，大家几微米几微米地死磕，想办法迭代技术，最终攻克了高端微型物镜装配技术。　　光纤是显微镜微型化的另一个瓶颈。团队成员、北大电子学院副教授王爱民设计了一款蜂窝状的空芯光子带隙光纤，让激光通过光纤传输到微型化探头的过程中，脉冲不发生畸变、能量几乎不损耗，以有效激发小动物体内的荧光分子。　　但让王爱民措手不及的是，设计方案有了，国内却没有厂家能生产这种光纤。“我们最初找了一家外国公司订制。但一年后，这家公司提出翻番的价格，每米光纤的价格接近万元，仅光纤的成本就增加了几百万元。”他回忆说，团队被“逼上梁山”，转而联袂上海光机所的一位青年学者一起摸索加工工艺，进行国产化。　　在北京大学未来技术学院教授陈良怡看来，科研仪器国产化过程中的突围，也将带动应用基础研究与产业发展“双向奔赴”。　　“我们的论文发表后，很多技术被公开了，但很多人做重复实验时无法再现，是因为加工中有很多细节问题难以解决，这些细节在学术论文中也难以呈现。”陈良怡说，如果想将这款显微镜尽快用起来，就要将科研成果产品化，带动产业的发展。而产品化的过程，也促使他们思考，如何用成像技术推动神经科学、脑科学乃至整个生命科学基础研究的发展。　　目前，超维景研制的微型化双光子显微镜已服务了150余家国内实验室，年平均销售额达5000万元。今年，公司还将拓展国际市场。　　一项世界首创的应用　　10年前项目启动时，程和平抱着“从幼儿园开始读一个博士学位”的心态，研制微型化双光子显微镜。　　时光浩荡向前，多年的厉兵秣马是否能支撑国家重大战略需求？团队将答卷写进宇宙苍穹。　　2019年，在中国载人航天工程办公室大力支持下，程和平团队、中国航天员科研训练中心李英贤团队、北京航空航天大学冯丽爽团队联合相关企业及院所，组建了空间站双光子显微镜项目团队，由程和平担任总负责人。　　“中国要发展载人航天、要研究生命科学，太空是一个难得的实验室。在失重环境下，人体细胞是如何完成新陈代谢的，大脑的神经元又将发生什么变化，都是很好的研究课题。双光子显微镜成像深度深，可以帮助我们逐层扫描、分析航天员的细胞结构和代谢成分信息。”程和平说。　　2022年9月，空间站双光子显微镜研制成功。当年11月12日，空间站双光子显微镜搭乘天舟五号货运飞船成功运抵中国空间站，成为世界首台进入太空的双光子显微镜。　　今年2月上旬的一天，空间站双光子显微镜终于开机。坐在中国航天员科研训练中心看到航天员操作画面传回，程和平松了一口气：“终于成功了。”　　消息传来，整个团队沸腾了。“这辈子能做这么一件事情，值了！”王爱民至今回忆起来仍激动不已。　　鲜为人知的是，为了达到航天应用的标准，显微镜经历了一次次蜕变。　　精密的显微镜，要能承受飞船发射时的剧烈振动，这要求它足够抗振。“最初，激光器的核心部件被振得粉碎。”北京大学未来技术学院助理研究员王俊杰记得，为了让显微镜“强健筋骨”，他们将激光器的核心部件设计为固态结构，以增强激光器的机械强度，同时在激光器外部增加了减震装置，相当于给其上了一层保险。　　超维景的团队也参与进来。超维景超快激光事业部经理陈燕川介绍，他们将激光器核心部件置于-40℃至80℃的温度下循环试验，使部件在短期内反复承受极端高低温变化应力以及极端温度交替突变的影响，以排查隐患。为了确保万无一失，团队还制作多组关键部件样品，进行加量级、破坏性的振动冲击试验，保证显微镜能满足航天发射环境各种极端条件的挑战。　　最终，团队实现了多项突破：首次在轨验证实验实现了世界上首次双光子显微镜在轨正常运行，国内首次实现飞秒激光器在轨正常运行，国际上首次在轨、在体观测航天员细胞结构和代谢成分信息。　　一个梦想的启航　　从突破理论研究瓶颈，到试水产业蓝海，再到支撑国家重大战略需求，程和平团队将科技创新的底色写在从技术创新到产业应用的跃迁中。如今，一个更宏大的构想正在渐次舒展。　　在南京江北新区，成立近4年的北大分子医学南京转化研究院（以下简称转化院），已搭建起高端脑成像的公共技术服务平台“南京脑观象台”。后者可以提供微型化双光子显微镜、超灵敏结构光超分辨显微镜及高速三维扫描荧光成像系统等设备，帮助科研团队获得从大脑突触、神经元集群、神经环路，再到全脑水平的全景式脑功能成像。　　科研团队的身后，还有一群人与他们并肩作战。　　几乎每天，实验员陈雪莉都要为小鼠注入观测所需的荧光蛋白，对小鼠进行行为训练。　　当她为小鼠戴上显微镜探头后，一旁的屏幕上会立即呈现出小鼠大脑的钙活动影像。　　“脑观象台有一支技术团队。对于遴选通过的研究项目，技术团队会与科研团队一起制订实验计划，为学者们制备、训练小鼠，采集小鼠的脑活动成像数据，再将小鼠的行为学数据和脑活动数据匹配，供科研人员分析小鼠在表现出某种行为时，大脑发生了什么变化。”转化院副院长赵婷解释，脑观象台希望将学者们从繁琐高难的实验技术细节中解放出来，加速从理论设想到实验发现的进程。　　凭借南京脑观象台成像技术的支持，科学家们已经开始收获惊喜、成果迭出：小鼠有喜新厌旧的行为，而孤独症小鼠却存在这一行为缺陷；清醒状态下小鼠癫痫发作时，神经元异常放电……　　赵婷介绍，如今，脑观象台已经服务了100多家单位的180余个课题组，开机时间累计超过2万小时。脑观象台与江北新区联合发起的两期“探索计划”，也已累计支持48项课题研究。　　十年春华秋实。一颗在未名湖畔种下的种子，如今正在千里之外的扬子江畔落地生根、开枝散叶，荫泽全国的脑科学、神经科学等领域的研究。　　40多年前，少年程和平曾在他的笔记本上写下带有科幻色彩的理想——“做一款思维记录器”。　　跨越万水千山，如今，理想照进现实，中国脑科学研究风华正茂。