2.2克顯微鏡 看得清一個細胞

尹穎堯

在北京大學王克楨樓214室里，吳博士開始實驗。他坐在電腦前，一根紅色傳輸線與電腦相連，線的末端是一個直徑1厘米的正方板，板上有一個不注意根本看不見的小點，這個小點就是直徑僅0.4毫米的顯微鏡。電腦左側有一個工作臺，吳博士把顯微鏡戴在實驗鼠的頭上，再把實驗鼠放置在工作臺上的箱子中，這樣就可以收集自由運動狀態下實驗鼠的神經元信號。實驗大約持續半小時到一小時。然后取下顯微鏡，把實驗鼠放回飼養籠中。

吳潤龍的導師陳良怡教授告訴記者，這是世界上最小最輕的高分辨率雙光子熒光顯微鏡。

“清”且“輕”

目前，患者在醫院做透視檢查，常用的有B超、CT和核磁共振（MRI）等，其中分辨率和清晰度最高的是核磁共振（MRI），但它仍是相當“模糊”的，比如患者拍了一張腦部的MRI片子，成像的片子由無數個0.2毫米*0.2毫米像素組成，每個像素則代表了80000個神經細胞的情況。從片子上遠遠無法看清單個神經細胞，不能得到單個神經細胞的活動信息。好在核磁共振視野廣，能拍攝整個腦部，能“模糊”地顯示患者的病灶是在哪個區域。

而吳潤龍博士使用的這個雙光子熒光顯微鏡卻不尋常，它是其所在的程和平院士帶領的多學科交叉研發團隊研制的，“它能看到每一個神經細胞的情況，”陳良怡教授說，“它還能看清神經細胞間的能量轉換。”兩個神經細胞間的接觸點，被稱為“突觸”，能量通過“突觸”實現轉換，這在雙光子熒光顯微鏡下一覽無余。

北大這款顯微鏡只有2.2克，這樣讓實驗鼠戴上后沒什么感覺，可自由活動，實現了“無限制行為動物成像（Imaging in freely behaving animals）”。

如果說這款雙光子熒光顯微鏡有什么缺點，那就是視野窄，這與它的分辨率太高有關系，一般說分辨率越高，視野越窄。戴上它，只能看到腦部的極小一塊區域，“大概一千多個神經元”，陳教授介紹。

這樣，如果能夠將核磁共振與雙光子熒光顯微鏡各自的優勢進行互補，就有可能精準定位病灶。比如當患者前往醫院就診，先進行核磁共振的檢測，一旦發現某個腦部某個區域有問題，再用雙光子熒光顯微鏡在該區域深入檢查，精準找到病源。這是國家十三五生物醫學成像大設施中的一個研究方向，也是陳教授的研究重點。

北京大學的這款雙光子熒光顯微鏡圖像分辨率高，而且非常輕。神經科學家曾普遍認為，15克重是雙光子熒光顯微鏡可以達到的，做得更輕非常困難。但實驗鼠的體重一般只有二十幾克，要是佩戴15克重的顯微鏡，“好比體重150斤的人背著120斤重的包袱”，行動不便，實驗就得不到它正常生理狀態下的信息。而北大這款顯微鏡只有2.2克，這樣讓實驗鼠戴上后沒什么感覺，可自由活動，實現了“無限制行為動物成像（Imaging in freely behaving animals）”。

“為神經科學研究打開了一扇門”

“無限制行為動物成像技術，為神經科學打開了一扇門，開啟了在自然行為狀態下的研究。”陳良怡教授自豪地說。

無論實驗鼠是覓食、哺乳，還是打斗、嬉戲、睡眠，觀察它的腦細胞活動狀況，這款顯微鏡都能大顯身手。陳良怡教授和浙江大學胡海嵐教授的團隊正在合作，研究實驗鼠的攻擊性行為。研究人員把兩只實驗鼠放在類似于橋的狹窄通道的兩端，當它們在“橋”上相遇時，一般會有一只實驗鼠往前沖，展現攻擊性，另一只實驗鼠往后退縮，這款顯微鏡可以區分它們同一腦區的神經元瞬間活動信息，“看得見”大腦學習、記憶、決策、思維的過程，“以前是沒辦法研究的，現在可以了”，陳良怡教授說，“開拓了新的研究范式。”

挪威科學家夫婦梅-布里特·莫澤（May-Britt Moser）和愛德華·莫澤（Edvard I.Moser）因在“大腦定位系統細胞（Grid Cells）”上的杰出研究，獲得2014年諾貝爾生理學或醫學獎。大腦定位系統類似于大腦GPS，莫澤夫婦在老鼠的大腦里發現了這樣的細胞，但在之前的研究中，得到的都是二維平面信息。與北京大學合作，使用這款顯微鏡后，可以得到三維成像，從而解析組成大腦GPS的神經元的三維分布結構。

馬克斯-普朗克研究所是研究鳥類的世界頂尖研究機構，它的一項研究是雄鳥如何用歌聲吸引雌鳥。研究者們發現，雄鳥成年后，會有一只年長的雄鳥教它唱歌。即便沒有“老師”，受青春期的雄激素影響，雄鳥也會自己唱。研究者們發現，一旦人為地把雄激素降下來，雄鳥就不唱了;一旦人為地增加雄激素，雄鳥就要多唱幾首歌。然而馬普所的研究者們并不清楚，人為地增強或減少雄激素，雄鳥腦部對應的神經元發生的變化。與北京大學合作后，這個問題慢慢地迎刃而解。“這項研究的對象雖然是鳥類，但對定量化的理解人類的學習語言也有幫助。”陳良怡教授說。

巨大的應用需求

《自然方法（Nature Methods）》，是一本生物研究方法類權威期刊，它每年都會評選年度技術，其中不少獲選的年度技術日后獲得諾貝爾獎，被生物學界稱為諾貝爾獎風向標。2018年度技術正是無限制行為動物成像技術，其代表科研就是北京大學的這款顯微鏡，入選理由是此項技術“威力”無比，將對神經科學全面產生影響。

這款顯微鏡是在程和平院士的帶領下，由北京大學分子醫學研究所、生命科學學院、工學院和軍事醫學科學院等組成跨學科團隊，運用微集成、微光學、超快光纖激光和半導體光電學等技術，歷經三年多協同完成的。比如陳良怡的團隊的工作是設計微型化顯微鏡的光路，組裝和優化各個器件，以達到光學上最佳效果。程和平院士表示，下一步將會把這個獨一無二的工具運用到腦科學研究中，建立專業化、流水化的隊伍，回答一些小實驗室解決不了的大科學問題。

研發團隊創辦了公司，滿足市場對這款顯微鏡的巨大需求。“不管是科研還是醫療等行業，需求都很大，”陳良怡教授介紹，“比如它與臨床內窺結合的市場價值就非常大。”在腫瘤切除手術時，這款顯微鏡可以放入身體內，幫助醫生準確地找到腫瘤病源，精準下刀。此外，它在可視化研究自閉癥、阿爾茨海默病、癲癇等腦疾病的神經機制中都能發揮重要作用。