實驗室是創(chuàng)新的源頭(一)——訪中國科學(xué)院院士北京大學(xué)程和平教授

夏 有 為

(《實驗室研究與探索》編輯部，上海 200030)

1 超高時空分辨微型化雙光子在體顯微成像系統(tǒng)

夏有為(簡稱夏)：程院士，在第二屆高校實驗室建設(shè)與發(fā)展論壇上您講的超高時空分辨微型化雙光子在體顯微成像系統(tǒng)，能否給我們做個簡單介紹。

程和平(簡稱程)：好的。2014年“超高時空分辨微型雙光子在體顯微成像系統(tǒng)” 正式立項。2017年，我們北大分子醫(yī)學(xué)研究所、信息科學(xué)技術(shù)研究院、動態(tài)成像中心、生命科學(xué)研究院、工學(xué)院聯(lián)合中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院組成的跨學(xué)科團(tuán)隊(圖1)，經(jīng)過3年的努力，研究成功了超高時空分辨微型化雙光子在體顯微成像系統(tǒng)(圖2)，實現(xiàn)了雙光子顯微鏡核心部件的微型化，將原本幾百公斤的儀器縮減為幾十公斤的組合體，核心部件縮減至2.2 g(圖3左上)，成為可被自由活動的小鼠戴在頭上的觀測利器(圖3右)。運(yùn)用該顯微鏡獲取了小鼠在自由行為過程中大腦腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動清晰、穩(wěn)定的圖像(圖4)。它為腦科學(xué)、人工智能學(xué)科的研究提供了重要的高端儀器，改變了在自由活動動物中觀察細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的方式。可用于在動物覓食、哺乳、跳臺、打斗、嬉戲、睡眠等自然行為條件下，或者在學(xué)習(xí)前、學(xué)習(xí)中和學(xué)習(xí)后，長時程觀察神經(jīng)突觸、神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程連接的腦區(qū)等多尺度、多層次動態(tài)變化(圖5)。當(dāng)時，這一成果是生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的重大突破，也是我國在自主研發(fā)重大科研儀器方面取得的重大進(jìn)展。曾得到包括多位諾貝爾獎獲得者在內(nèi)的國內(nèi)外神經(jīng)科學(xué)家的高度贊譽(yù)。我們中國終于有了自主研發(fā)的、領(lǐng)先學(xué)界的實驗儀器。

圖1 程和平院士跨學(xué)科研發(fā)團(tuán)隊(從左到右:陳良怡、吳潤龍、王愛民、胡炎輝、張云峰、程和平、李京航、宗偉健)

圖2 多模態(tài)微型化雙光子顯微鏡整機(jī)

夏：這臺微型化雙光子顯微鏡還有哪些特色？

程：除了核心成果微型化雙光子顯微鏡，我們的各個技術(shù)路線上都結(jié)出了碩果：

(1)在超快領(lǐng)域：我們發(fā)明了快速掃描雙光子光片顯微鏡，它是世界上第一個三軸掃描式的光片顯微鏡。采用雙軸對稱高速微機(jī)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)鏡掃描技術(shù)，成像幀頻已達(dá)40 Hz(256*256像素)，同時具備多區(qū)域隨機(jī)掃描和每秒1萬線的線掃描能力。

圖3 微型化雙光子顯微鏡及頭戴該微型顯微鏡的小鼠

(2)在超深領(lǐng)域：我們搭建的三光子顯微鏡可以看到近2 mm的深度。

(3)在超分辨領(lǐng)域：我們發(fā)表的超靈敏超分辨結(jié)構(gòu)光顯微鏡是非常出色的成果，橫向分辨率達(dá)到0.65μm。成像質(zhì)量與商品化大型臺式雙光子熒光顯微鏡可相媲美，遠(yuǎn)優(yōu)于目前領(lǐng)域內(nèi)主導(dǎo)的、美國腦科學(xué)計劃核心團(tuán)隊所研發(fā)的微型化寬場顯微鏡。

圖4 實驗中的小鼠及腦成像照片

(4)在超大視場領(lǐng)域：我們也有成果產(chǎn)出。

最主要的突破就是微型化的實現(xiàn)。我們把幾十公斤重的雙光子顯微鏡核心部件集合到了2.2 g，其中包括成像、掃描和收集部分，在另一個版本中，也可以包括探測部分。這其中，我們完成了對高性能透鏡組等關(guān)鍵部件的微型化設(shè)計、制造和集成，取得了突破性的進(jìn)展；此外，920 nm全正色散摻釹飛秒光纖激光器是我們在國際上首次實現(xiàn);而專用傳導(dǎo)此波段飛秒光束的空心晶體光纖等部件也是我們自主設(shè)計和定制的。

920 nm波長的激光能夠有效激發(fā)GFP，GCaMPs等常見熒光標(biāo)記分子，在雙光子顯微成像中應(yīng)用廣泛。920 nm光纖激光器能夠產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的飛秒激光脈沖，而在激光脈沖通過空心晶體光纖傳輸?shù)轿⑿突筋^的過程中，我們的光纖相當(dāng)于做成了一個柔性可變的空氣通道，能夠在最大程度上保持激光脈沖傳輸過程中不畸變不損耗。

在我們的技術(shù)之前，雙光子顯微鏡只能觀察死的、麻醉的或者固定的動物。而現(xiàn)在，經(jīng)過訓(xùn)練的小鼠可以戴著只有2.2 g的探頭自由活動。我們可以在不影響實驗動物生活質(zhì)量的前提下，對自由狀態(tài)下實驗動物的大腦進(jìn)行長時間的觀測，分辨率達(dá)到細(xì)胞，甚至是突觸的水平。做到“看一看”小老鼠的腦中是什么活動。用我們這個顯微系統(tǒng)可以看到兩個小老鼠談戀愛時，腦子里是怎么活動的，還挺有詩意的。

此外，對于大鼠或者體型更大的實驗動物，我們還可以對一個個體進(jìn)行多探頭的觀測，可以對不同腦區(qū)之間的遠(yuǎn)距離相互作用進(jìn)行研究。

在腦科學(xué)研究中，在真實場景中對活動中的動物大腦進(jìn)行觀測非常重要，所以，我們的技術(shù)將可以為腦科學(xué)的發(fā)展提供巨大的推動力。“微型雙光子顯微成像系統(tǒng)”的問世，將建立起今后腦科學(xué)研究的新范式，成為研究的標(biāo)準(zhǔn)化方法，為正在蓬勃發(fā)展的神經(jīng)科學(xué)提供一個強(qiáng)有力的實驗工具。

(未完待續(xù))