實驗室是創新的源頭(一)——訪中國科學院院士北京大學程和平教授

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

夏有為(簡稱夏)：程院士，在第二屆高校實驗室建設與發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，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” 正式立項。2017年，我們北大分子醫學研究所、信息科學技術研究院、動態成像中心、生命科學研究院、工學院聯合中國人民解放軍軍事醫學科學院組成的跨學科團隊(圖1)，經過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(圖2)，實現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)。運用該顯微鏡獲取了小鼠在自由行為過程中大腦腦神經元和神經突觸活動清晰、穩定的圖像(圖4)。它為腦科學、人工智能學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胞和亞細胞結構的方式。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，或者在學習前、學習中和學習后，長時程觀察神經突觸、神經元、神經網絡、遠程連接的腦區等多尺度、多層次動態變化(圖5)。當時，這一成果是生物醫學成像技術的重大突破，也是我國在自主研發重大科研儀器方面取得的重大進展。曾得到包括多位諾貝爾獎獲得者在內的國內外神經科學家的高度贊譽。我們中國終于有了自主研發的、領先學界的實驗儀器。

圖1 程和平院士跨學科研發團隊(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 多模態微型化雙光子顯微鏡整機

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，我們的各個技術路線上都結出了碩果：

(1)在超快領域：我們發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電系統轉鏡掃描技術，成像幀頻已達40 Hz(256*256像素)，同時具備多區域隨機掃描和每秒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)在超分辨領域：我們發表的超靈敏超分辨結構光顯微鏡是非常出色的成果，橫向分辨率達到0.65μm。成像質量與商品化大型臺式雙光子熒光顯微鏡可相媲美，遠優于目前領域內主導的、美國腦科學計劃核心團隊所研發的微型化寬場顯微鏡。

圖4 實驗中的小鼠及腦成像照片

(4)在超大視場領域：我們也有成果產出。

最主要的突破就是微型化的實現。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鍵部件的微型化設計、制造和集成，取得了突破性的進展；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;而專用傳導此波段飛秒光束的空心晶體光纖等部件也是我們自主設計和定制的。

920 nm波長的激光能夠有效激發GFP，GCaMPs等常見熒光標記分子，在雙光子顯微成像中應用廣泛。920 nm光纖激光器能夠產生優質的飛秒激光脈沖，而在激光脈沖通過空心晶體光纖傳輸到微型化探頭的過程中，我們的光纖相當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。而現在，經過訓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量的前提下，對自由狀態下實驗動物的大腦進行長時間的觀測，分辨率達到細胞，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行多探頭的觀測，可以對不同腦區之間的遠距離相互作用進行研究。

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

(未完待續)