深瞳工作室出品
科技日報記者 金鳳 策劃 趙英淑 滕繼濮 林莉君
今年2月上旬，神舟十五號航天員乘組使用空間站雙光子顯微鏡，開展在軌驗證實驗任務并取得成功。這是目前已知的世界首次在航天飛行過程中，使用雙光子顯微鏡獲取航天員皮膚表皮及真皮淺層的三維圖像。
在南京腦觀象臺投入使用的微型化雙光子顯微鏡成像系統(tǒng)。
“第三次雙光子顯微鏡測試順利結(jié)束！”
“無比完美！”
“這一次的曲線如此絲滑！”
……
4月1日上午，中國科學院院士、北京大學未來技術(shù)學院教授程和平的微信對話框，被同事們發(fā)來的這些評論不斷刷新。而在中國航天員科研訓練中心內(nèi)，掌聲此起彼伏。讓大家歡欣鼓舞的，是中國空間站再次傳來的好消息。
當日，神舟十五號航天員乘組，使用空間站雙光子顯微鏡進行成像測試。他們用探頭輕輕掠過臉部和前臂，一旁的電子屏幕上立即顯示出皮膚結(jié)構(gòu)及細胞的三維分布影像。
這不是顯微鏡第一次在軌成像測試。今年2月上旬，神舟十五號航天員乘組使用空間站雙光子顯微鏡，開展在軌驗證實驗任務并取得成功。這是目前已知的世界首次在航天飛行過程中，使用雙光子顯微鏡獲取航天員皮膚表皮及真皮淺層的三維圖像。
“如果能從這些圖像中發(fā)現(xiàn)空間環(huán)境中人體變化規(guī)律，就更好了！”程和平捧著手機與記者分享這些科學圖像時說。
只有了解程和平團隊十年來經(jīng)歷的艱難曲折，才能體會這些圖像的來之不易。2013年，程和平帶領團隊開啟微型化雙光子顯微鏡研究時，“全世界都不看好”。
歷經(jīng)10年，該團隊完成了從科研儀器技術(shù)創(chuàng)新，到技術(shù)產(chǎn)品化，再到技術(shù)服務平臺化的躍遷。他們將中國帶到全球大腦成像研究的前沿，讓微型化雙光子顯微鏡在中國的高校院所、企業(yè)得到推廣應用，為腦科學研究搭建起重要實驗平臺、提供了海量數(shù)據(jù)支持。
程和平希望，用微型化雙光子顯微鏡拓展人類對腦宇宙的認知疆域，為探索腦機接口原理、深化對大腦疾病機制的了解、推進藥物研發(fā)開辟一片新天地。
神舟十五號航天員乘組在軌使用空間站雙光子顯微鏡（視頻截圖）。中國載人航天工程辦公室供圖
一束光的啟迪
意識的生物學基礎是什么，記憶是如何存儲和恢復的……在世界各國的腦科學計劃中，這些問題吸引著全球科學家們不斷上下求索。
在2021年國際權(quán)威學術(shù)期刊《科學》發(fā)布的125個最前沿的科學問題中，有22個問題與腦科學相關。
雙光子顯微鏡的出現(xiàn)，仿佛是照在生命科學研究領域的一束光。
1992年，程和平用世界上第二臺雙光子顯微鏡，首次實現(xiàn)了心肌線粒體成像。
“雙光子顯微鏡，是用兩個光子同時激發(fā)同一個熒光分子的光學成像技術(shù)。它具有天然的光學斷層掃描效果，能看到的組織深度更深，成像的清晰度更高，像一個高性能的X光機?！背毯推秸f，與單光子顯微鏡相比，雙光子顯微鏡看得準、看得深、光損傷小。但傳統(tǒng)的臺式雙光子顯微鏡非常笨重，足有房間那么大，所以只能觀察頭部固定的動物或者動物的腦切片。
研究一款微型化雙光子顯微鏡，觀察自由行走的小動物腦袋中的一顆顆神經(jīng)元的動態(tài)變化，成為程和平藏在心底的一個夢想。
一個夢想的點燃，有時只需一個使命的召喚。
2013年，國家自然科學基金委員會啟動了國家重大科研儀器研制項目。程和平帶隊申請了“超高時空分辨微型化雙光子在體顯微成像系統(tǒng)”項目。
那一年，美國啟動“創(chuàng)新性神經(jīng)技術(shù)推動的腦計劃”，歐盟啟動了旨在建立大型腦科學研究數(shù)據(jù)庫和腦功能計算機模擬平臺的“人腦計劃”。
而此前，我國在《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》中，已把“腦科學與認知”列入基礎研究8個科學前沿問題之一。
“中國科學家只有用自己研發(fā)的觀測儀器，做出原創(chuàng)性的腦科學成果，國際科學界才會認可。我們希望研制一款成像儀，率先讓中國科學家用起來。用國外的儀器做研究，都是在別人建設的四梁八柱上做文章?！背毯推接檬姑剡_的決心來籌備項目的啟動。
一場跨越山海的探索
想實現(xiàn)雙光子顯微鏡在自由活動的動物體上的高清成像，必須為它“瘦身”。
然而，極大的技術(shù)難度，讓團隊一度面臨質(zhì)疑。程和平向科技日報記者坦言，7200萬元的投入“相當于一噸百元大鈔”，究竟能不能收獲一個看得見的未來，大家當時心里很忐忑?！澳菚r世界多國嘗試微型化雙光子顯微鏡的研制，但都沒有實質(zhì)性突破，嘗試十幾次都無疾而終。”他說。
程和平所言非虛。2008年，瑞士有課題組公布了他們的微型雙光子系統(tǒng)，僅重0.9克，并實現(xiàn)了大鼠在體鈣成像信號。但其空間分辨率極低，也未實現(xiàn)真正的自由運動下的成像。
2009年，德國有課題組展示了它們的微型雙光子系統(tǒng)，其理論分辨率接近大型的雙光子顯微鏡。但其探頭較重，掃描速度很慢。
程和平身后，有一支不同尋常的團隊，團隊中有人研究超快激光器，有人專攻高速電路，有人擅長圖像處理，有人能做大數(shù)據(jù)分析……然而，研究起步階段，團隊中無人具備研制系統(tǒng)性科研設備的經(jīng)驗，技術(shù)路線也不確定。
“怎么辦？只有一點點地認真做?！背毯推浇o團隊立下軍令狀。
在項目開始的前兩年，大家爭分奪秒地汲取多學科的營養(yǎng)。在北京大學分子醫(yī)學研究所300平方米的大儀器聯(lián)合實驗室里，來自機械、光學、生物、電路等研究領域的師生匯聚在一起，交流切磋。每周六上午的集體學習，大家分享一周行業(yè)動態(tài)，介紹各自研究進展。同時，大量的國內(nèi)外頂尖專家被邀請來作報告。
引進來的同時，團隊也頻頻走出去。僅2014年，他們就涉足美國、俄羅斯、澳大利亞、西班牙。每去一個地方，大家都會在當天晚上寫好總結(jié)，發(fā)給團隊共同學習。
空間站雙光子顯微鏡對航天員皮膚表層成像。
一場持續(xù)十年的攻關
2017年，團隊終于迎來了振奮人心的進展。
在如今北京大學膜生物學國家重點實驗室設備研發(fā)平臺內(nèi)，一個只有拇指大小、重約2.2克的顯微鏡探頭，被珍藏在實驗室深處——這是團隊于2017年成功研制的第一臺微型化雙光子顯微鏡的核心部件。
這臺顯微鏡可以實現(xiàn)高時空分辨微型化成像，能實時記錄數(shù)十個神經(jīng)元、上千個神經(jīng)突觸動態(tài)信號。這些突破性的進展，使其入選2017年中國科學十大進展。
4年后，該團隊推出微型化雙光子顯微鏡的2.0版本，其成像視野擴大到初代顯微鏡的7.8倍，同時具備三維成像能力，獲取了小鼠在自由運動行為中大腦三維區(qū)域內(nèi)上千個神經(jīng)元清晰穩(wěn)定的動態(tài)功能圖像。
今年2月，團隊又發(fā)布了他們研制的微型化三光子顯微鏡。該顯微鏡能直接透過大腦皮層和胼胝體，首次實現(xiàn)對自由行為中小鼠的大腦全皮層和海馬神經(jīng)元功能成像，神經(jīng)元鈣信號最大成像深度可達1.2毫米，血管成像深度可達1.4毫米。
致廣大而盡精微。10年，微型化雙光子顯微鏡完成了從高清成像，向更廣、更深成像的科研布局。然而，這在研制一款“大國重器”的探索之旅中，也許僅僅是開始。
2016年，當?shù)谝淮⑿突p光子顯微鏡的研究即將“破土”時，一個聲音再次在程和平腦海里回響，“如果投入‘一噸百元大鈔’，只是交付3臺顯微鏡，性價比太低了。應該先讓中國科研院所、企業(yè)的實驗室用起來，做出領先國際的研究，再向國際市場推廣?！?/p>
讓程和平下定決心辦公司的，還有3年來培養(yǎng)起來的一支團隊?！皣彝度脒@么大，讓我們長了一身本事，項目結(jié)題后如果團隊散了就太可惜了?！背毯推秸f。
辦公司讓研究成果產(chǎn)品化，成為程和平團隊的共識。2016年，程和平團隊創(chuàng)立了北京超維景生物科技有限公司（以下簡稱超維景）。
一個新時代開啟了。
一場自立自強的產(chǎn)業(yè)突圍
當科學技術(shù)的光芒照進產(chǎn)業(yè)，不僅砥礪技術(shù)創(chuàng)新的成色，也可以點亮一片“暗夜”。要將高端精密科研儀器產(chǎn)品化，元器件的可靠性、穩(wěn)定性必須過硬。
微型物鏡，是微型化雙光子顯微鏡的關鍵核心零部件。團隊核心成員、北京大學未來技術(shù)學院特聘副研究員吳潤龍記得，最初做原理樣機時，團隊從國外一家公司進口微型物鏡。
但當團隊進入顯微鏡產(chǎn)品化階段后，對方的發(fā)展戰(zhàn)略也發(fā)生變化。“對方要求我們購買他們合作伙伴的單光子顯微鏡系統(tǒng)，物鏡不再單獨售賣，而這個系統(tǒng)的價格要100多萬元。代價太大，我們不能被‘卡脖子’?！眳菨欭堈f，自此，團隊開始自行設計高數(shù)值孔徑的微型物鏡，并聯(lián)合國內(nèi)企業(yè)加工，在超維景進行裝配和測試。
自勝者強。2018年，趙春竹到北京大學未來技術(shù)學院做博士后研究，為助力物鏡的自主研發(fā)按下了快進鍵。
“經(jīng)過三代技術(shù)攻關，我們已經(jīng)掌握了高端物鏡的設計技術(shù)。但在自主設計、加工的基礎上，還要形成高精度自主裝配的流程和方法。微型物鏡由多個鏡片疊加而成，每片直徑約3毫米，最初我們將所有的鏡片一起裝配完后，統(tǒng)一調(diào)試，但發(fā)現(xiàn)精度相差太大。后來，我們優(yōu)化了裝調(diào)工藝，每安裝一片鏡片，都用儀器檢測光軸偏移量、焦距等參數(shù)。由于物鏡直徑太小，一開始，調(diào)整幾微米的誤差，都要耗時一兩天?！壁w春竹回憶，最艱難的時候，大家?guī)缀踅^望。但抱著不破樓蘭終不還的信念，大家?guī)孜⒚讕孜⒚椎厮揽模朕k法迭代技術(shù)，最終攻克了高端微型物鏡裝配技術(shù)。
光纖是顯微鏡微型化的另一個瓶頸。團隊成員、北大電子學院副教授王愛民設計了一款蜂窩狀的空芯光子帶隙光纖，讓激光通過光纖傳輸?shù)轿⑿突筋^的過程中，脈沖不發(fā)生畸變、能量幾乎不損耗，以有效激發(fā)小動物體內(nèi)的熒光分子。
但讓王愛民措手不及的是，設計方案有了，國內(nèi)卻沒有廠家能生產(chǎn)這種光纖?！拔覀冏畛跽伊艘患彝鈬居喼?。但一年后，這家公司提出翻番的價格，每米光纖的價格接近萬元，僅光纖的成本就增加了幾百萬元?！彼貞浾f，團隊被“逼上梁山”，轉(zhuǎn)而聯(lián)袂上海光機所的一位青年學者一起摸索加工工藝，進行國產(chǎn)化。
在北京大學未來技術(shù)學院教授陳良怡看來，科研儀器國產(chǎn)化過程中的突圍，也將帶動應用基礎研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展“雙向奔赴”。
“我們的論文發(fā)表后，很多技術(shù)被公開了，但很多人做重復實驗時無法再現(xiàn)，是因為加工中有很多細節(jié)問題難以解決，這些細節(jié)在學術(shù)論文中也難以呈現(xiàn)。”陳良怡說，如果想將這款顯微鏡盡快用起來，就要將科研成果產(chǎn)品化，帶動產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而產(chǎn)品化的過程，也促使他們思考，如何用成像技術(shù)推動神經(jīng)科學、腦科學乃至整個生命科學基礎研究的發(fā)展。
目前，超維景研制的微型化雙光子顯微鏡已服務了150余家國內(nèi)實驗室，年平均銷售額達5000萬元。今年，公司還將拓展國際市場。
一項世界首創(chuàng)的應用
10年前項目啟動時，程和平抱著“從幼兒園開始讀一個博士學位”的心態(tài)，研制微型化雙光子顯微鏡。
時光浩蕩向前，多年的厲兵秣馬是否能支撐國家重大戰(zhàn)略需求？團隊將答卷寫進宇宙蒼穹。
2019年，在中國載人航天工程辦公室大力支持下，程和平團隊、中國航天員科研訓練中心李英賢團隊、北京航空航天大學馮麗爽團隊聯(lián)合相關企業(yè)及院所，組建了空間站雙光子顯微鏡項目團隊，由程和平擔任總負責人。
“中國要發(fā)展載人航天、要研究生命科學，太空是一個難得的實驗室。在失重環(huán)境下，人體細胞是如何完成新陳代謝的，大腦的神經(jīng)元又將發(fā)生什么變化，都是很好的研究課題。雙光子顯微鏡成像深度深，可以幫助我們逐層掃描、分析航天員的細胞結(jié)構(gòu)和代謝成分信息?！背毯推秸f。
2022年9月，空間站雙光子顯微鏡研制成功。當年11月12日，空間站雙光子顯微鏡搭乘天舟五號貨運飛船成功運抵中國空間站，成為世界首臺進入太空的雙光子顯微鏡。
今年2月上旬的一天，空間站雙光子顯微鏡終于開機。坐在中國航天員科研訓練中心看到航天員操作畫面?zhèn)骰兀毯推剿闪艘豢跉猓骸敖K于成功了。”
消息傳來，整個團隊沸騰了?！斑@輩子能做這么一件事情，值了！”王愛民至今回憶起來仍激動不已。
鮮為人知的是，為了達到航天應用的標準，顯微鏡經(jīng)歷了一次次蛻變。
精密的顯微鏡，要能承受飛船發(fā)射時的劇烈振動，這要求它足夠抗振?！白畛酰す馄鞯暮诵牟考徽竦梅鬯??！北本┐髮W未來技術(shù)學院助理研究員王俊杰記得，為了讓顯微鏡“強健筋骨”，他們將激光器的核心部件設計為固態(tài)結(jié)構(gòu)，以增強激光器的機械強度，同時在激光器外部增加了減震裝置，相當于給其上了一層保險。
超維景的團隊也參與進來。超維景超快激光事業(yè)部經(jīng)理陳燕川介紹，他們將激光器核心部件置于-40℃至80℃的溫度下循環(huán)試驗，使部件在短期內(nèi)反復承受極端高低溫變化應力以及極端溫度交替突變的影響，以排查隱患。為了確保萬無一失，團隊還制作多組關鍵部件樣品，進行加量級、破壞性的振動沖擊試驗，保證顯微鏡能滿足航天發(fā)射環(huán)境各種極端條件的挑戰(zhàn)。
最終，團隊實現(xiàn)了多項突破：首次在軌驗證實驗實現(xiàn)了世界上首次雙光子顯微鏡在軌正常運行，國內(nèi)首次實現(xiàn)飛秒激光器在軌正常運行，國際上首次在軌、在體觀測航天員細胞結(jié)構(gòu)和代謝成分信息。
一個夢想的啟航
從突破理論研究瓶頸，到試水產(chǎn)業(yè)藍海，再到支撐國家重大戰(zhàn)略需求，程和平團隊將科技創(chuàng)新的底色寫在從技術(shù)創(chuàng)新到產(chǎn)業(yè)應用的躍遷中。如今，一個更宏大的構(gòu)想正在漸次舒展。
在南京江北新區(qū)，成立近4年的北大分子醫(yī)學南京轉(zhuǎn)化研究院（以下簡稱轉(zhuǎn)化院），已搭建起高端腦成像的公共技術(shù)服務平臺“南京腦觀象臺”。后者可以提供微型化雙光子顯微鏡、超靈敏結(jié)構(gòu)光超分辨顯微鏡及高速三維掃描熒光成像系統(tǒng)等設備，幫助科研團隊獲得從大腦突觸、神經(jīng)元集群、神經(jīng)環(huán)路，再到全腦水平的全景式腦功能成像。
科研團隊的身后，還有一群人與他們并肩作戰(zhàn)。
幾乎每天，實驗員陳雪莉都要為小鼠注入觀測所需的熒光蛋白，對小鼠進行行為訓練。
當她為小鼠戴上顯微鏡探頭后，一旁的屏幕上會立即呈現(xiàn)出小鼠大腦的鈣活動影像。
“腦觀象臺有一支技術(shù)團隊。對于遴選通過的研究項目，技術(shù)團隊會與科研團隊一起制訂實驗計劃，為學者們制備、訓練小鼠，采集小鼠的腦活動成像數(shù)據(jù)，再將小鼠的行為學數(shù)據(jù)和腦活動數(shù)據(jù)匹配，供科研人員分析小鼠在表現(xiàn)出某種行為時，大腦發(fā)生了什么變化?！鞭D(zhuǎn)化院副院長趙婷解釋，腦觀象臺希望將學者們從繁瑣高難的實驗技術(shù)細節(jié)中解放出來，加速從理論設想到實驗發(fā)現(xiàn)的進程。
憑借南京腦觀象臺成像技術(shù)的支持，科學家們已經(jīng)開始收獲驚喜、成果迭出：小鼠有喜新厭舊的行為，而孤獨癥小鼠卻存在這一行為缺陷；清醒狀態(tài)下小鼠癲癇發(fā)作時，神經(jīng)元異常放電……
趙婷介紹，如今，腦觀象臺已經(jīng)服務了100多家單位的180余個課題組，開機時間累計超過2萬小時。腦觀象臺與江北新區(qū)聯(lián)合發(fā)起的兩期“探索計劃”，也已累計支持48項課題研究。
十年春華秋實。一顆在未名湖畔種下的種子，如今正在千里之外的揚子江畔落地生根、開枝散葉，蔭澤全國的腦科學、神經(jīng)科學等領域的研究。
40多年前，少年程和平曾在他的筆記本上寫下帶有科幻色彩的理想——“做一款思維記錄器”。
跨越萬水千山，如今，理想照進現(xiàn)實，中國腦科學研究風華正茂。
