夏 有 為

(《實(shí)驗(yàn)室研究與探索》編輯部，上海 200030)

1 超高時(shí)空分辨微型化雙光子在體顯微成像系統(tǒng)

夏有為(簡(jiǎn)稱夏)：程院士，在第二屆高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與發(fā)展論壇上您講的超高時(shí)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(gè)簡(jiǎn)單介紹。

程和平(簡(jiǎn)稱程)：好的。2014年“超高時(shí)空分辨微型雙光子在體顯微成像系統(tǒng)” 正式立項(xiàng)。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(dòng)態(tài)成像中心、生命科學(xué)研究院、工學(xué)院聯(lián)合中國(guó)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(duì)(圖1)，經(jīng)過(guò)3年的努力，研究成功了超高時(shí)空分辨微型化雙光子在體顯微成像系統(tǒng)(圖2)，實(shí)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(dòng)的小鼠戴在頭上的觀測(cè)利器(圖3右)。運(yùn)用該顯微鏡獲取了小鼠在自由行為過(guò)程中大腦腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動(dòng)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(dòng)動(dòng)物中觀察細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的方式?？捎糜谠趧?dòng)物覓食、哺乳、跳臺(tái)、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(zhǎng)時(shí)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(dòng)態(tài)變化(圖5)。當(dāng)時(shí)，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(guó)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(jiǎng)獲得者在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外神經(jīng)科學(xué)家的高度贊譽(yù)。我們中國(guó)終于有了自主研發(fā)的、領(lǐng)先學(xué)界的實(shí)驗(yàn)儀器。

圖1 程和平院士跨學(xué)科研發(fā)團(tuán)隊(duì)(從左到右:陳良怡、吳潤(rùn)龍、王愛民、胡炎輝、張?jiān)品?、程和平、李京航、宗偉?

圖2 多模態(tài)微型化雙光子顯微鏡整機(jī)

夏：這臺(tái)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(gè)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(gè)三軸掃描式的光片顯微鏡。采用雙軸對(duì)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(shí)具備多區(qū)域隨機(jī)掃描和每秒1萬(wàn)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(tái)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(guó)腦科學(xué)計(jì)劃核心團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的微型化寬場(chǎng)顯微鏡。

圖4 實(shí)驗(yàn)中的小鼠及腦成像照片

(4)在超大視場(chǎng)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(shí)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(gè)版本中，也可以包括探測(cè)部分。這其中，我們完成了對(duì)高性能透鏡組等關(guān)鍵部件的微型化設(shè)計(jì)、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?cè)趪?guó)際上首次實(shí)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(jì)和定制的。

920 nm波長(zhǎng)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(guò)空心晶體光纖傳輸?shù)轿⑿突筋^的過(guò)程中，我們的光纖相當(dāng)于做成了一個(gè)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(guò)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(dòng)物。而現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的小鼠可以戴著只有2.2 g的探頭自由活動(dòng)。我們可以在不影響實(shí)驗(yàn)動(dòng)物生活質(zhì)量的前提下，對(duì)自由狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的大腦進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)，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(dòng)。用我們這個(gè)顯微系統(tǒng)可以看到兩個(gè)小老鼠談戀愛時(shí)，腦子里是怎么活動(dòng)的，還挺有詩(shī)意的。

此外，對(duì)于大鼠或者體型更大的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，我們還可以對(duì)一個(gè)個(gè)體進(jìn)行多探頭的觀測(cè)，可以對(duì)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(shí)場(chǎng)景中對(duì)活動(dòng)中的動(dòng)物大腦進(jìn)行觀測(cè)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(dòng)力?！拔⑿碗p光子顯微成像系統(tǒng)”的問(wèn)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(gè)強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)工具。

(未完待續(xù))