深瞳工作室出品
科技日報(bào)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)任務(wù)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(tái)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(xué)院院士、北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)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(xùn)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(dāng)日，神舟十五號航天員乘組，使用空間站雙光子顯微鏡進(jìn)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(xì)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)任務(wù)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(jī)與記者分享這些科學(xué)圖像時(shí)說。
只有了解程和平團(tuán)隊(duì)十年來經(jīng)歷的艱難曲折，才能體會(huì)這些圖像的來之不易。2013年，程和平帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開啟微型化雙光子顯微鏡研究時(shí)，“全世界都不看好”。
歷經(jīng)10年，該團(tuán)隊(duì)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(wù)平臺(tái)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(yīng)用，為腦科學(xué)研究搭建起重要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、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(rèn)知疆域，為探索腦機(jī)接口原理、深化對大腦疾病機(jī)制的了解、推進(jìn)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(xué)基礎(chǔ)是什么，記憶是如何存儲(chǔ)和恢復(fù)的……在世界各國的腦科學(xué)計(jì)劃中，這些問題吸引著全球科學(xué)家們不斷上下求索。
在2021年國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)布的125個(gè)最前沿的科學(xué)問題中，有22個(gè)問題與腦科學(xué)相關(guān)。
雙光子顯微鏡的出現(xiàn)，仿佛是照在生命科學(xué)研究領(lǐng)域的一束光。
1992年，程和平用世界上第二臺(tái)雙光子顯微鏡，首次實(shí)現(xiàn)了心肌線粒體成像。
“雙光子顯微鏡，是用兩個(gè)光子同時(shí)激發(fā)同一個(gè)熒光分子的光學(xué)成像技術(shù)。它具有天然的光學(xué)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(gè)高性能的X光機(jī)?！背毯推秸f，與單光子顯微鏡相比，雙光子顯微鏡看得準(zhǔn)、看得深、光損傷小。但傳統(tǒng)的臺(tái)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(dòng)物或者動(dòng)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(dòng)物腦袋中的一顆顆神經(jīng)元的動(dòng)態(tài)變化，成為程和平藏在心底的一個(gè)夢想。
一個(gè)夢想的點(diǎn)燃，有時(shí)只需一個(gè)使命的召喚。
2013年，國家自然科學(xué)基金委員會(huì)啟動(dòng)了國家重大科研儀器研制項(xiàng)目。程和平帶隊(duì)申請了“超高時(shí)空分辨微型化雙光子在體顯微成像系統(tǒng)”項(xiàng)目。
那一年，美國啟動(dòng)“創(chuàng)新性神經(jīng)技術(shù)推動(dòng)的腦計(jì)劃”，歐盟啟動(dòng)了旨在建立大型腦科學(xué)研究數(shù)據(jù)庫和腦功能計(jì)算機(jī)模擬平臺(tái)的“人腦計(jì)劃”。
而此前，我國在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》中，已把“腦科學(xué)與認(rèn)知”列入基礎(chǔ)研究8個(gè)科學(xué)前沿問題之一。
“中國科學(xué)家只有用自己研發(fā)的觀測儀器，做出原創(chuàng)性的腦科學(xué)成果，國際科學(xué)界才會(huì)認(rèn)可。我們希望研制一款成像儀，率先讓中國科學(xué)家用起來。用國外的儀器做研究，都是在別人建設(shè)的四梁八柱上做文章?！背毯推接檬姑剡_(dá)的決心來籌備項(xiàng)目的啟動(dòng)。
一場跨越山海的探索
想實(shí)現(xiàn)雙光子顯微鏡在自由活動(dòng)的動(dòng)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(tuán)隊(duì)一度面臨質(zhì)疑。程和平向科技日報(bào)記者坦言，7200萬元的投入“相當(dāng)于一噸百元大鈔”，究竟能不能收獲一個(gè)看得見的未來，大家當(dāng)時(shí)心里很忐忑?！澳菚r(shí)世界多國嘗試微型化雙光子顯微鏡的研制，但都沒有實(shí)質(zhì)性突破，嘗試十幾次都無疾而終?！彼f。
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(shí)現(xiàn)了大鼠在體鈣成像信號。但其空間分辨率極低，也未實(shí)現(xiàn)真正的自由運(yùn)動(dòng)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(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)中無人具備研制系統(tǒng)性科研設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)路線也不確定。
“怎么辦？只有一點(diǎn)點(diǎn)地認(rèn)真做。”程和平給團(tuán)隊(duì)立下軍令狀。
在項(xiàng)目開始的前兩年，大家爭分奪秒地汲取多學(xué)科的營養(yǎng)。在北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所300平方米的大儀器聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室里，來自機(jī)械、光學(xué)、生物、電路等研究領(lǐng)域的師生匯聚在一起，交流切磋。每周六上午的集體學(xué)習(xí)，大家分享一周行業(yè)動(dòng)態(tài)，介紹各自研究進(jìn)展。同時(shí)，大量的國內(nèi)外頂尖專家被邀請來作報(bào)告。
引進(jìn)來的同時(shí)，團(tuán)隊(duì)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(gè)地方，大家都會(huì)在當(dāng)天晚上寫好總結(jié)，發(fā)給團(tuán)隊(duì)共同學(xué)習(xí)。
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(guān)
2017年，團(tuán)隊(duì)終于迎來了振奮人心的進(jìn)展。
在如今北京大學(xué)膜生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備研發(fā)平臺(tái)內(nèi)，一個(gè)只有拇指大小、重約2.2克的顯微鏡探頭，被珍藏在實(shí)驗(yàn)室深處——這是團(tuán)隊(duì)于2017年成功研制的第一臺(tái)微型化雙光子顯微鏡的核心部件。
這臺(tái)顯微鏡可以實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨微型化成像，能實(shí)時(shí)記錄數(shù)十個(gè)神經(jīng)元、上千個(gè)神經(jīng)突觸動(dòng)態(tài)信號。這些突破性的進(jìn)展，使其入選2017年中國科學(xué)十大進(jìn)展。
4年后，該團(tuán)隊(duì)推出微型化雙光子顯微鏡的2.0版本，其成像視野擴(kuò)大到初代顯微鏡的7.8倍，同時(shí)具備三維成像能力，獲取了小鼠在自由運(yùn)動(dòng)行為中大腦三維區(qū)域內(nèi)上千個(gè)神經(jīng)元清晰穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)功能圖像。
今年2月，團(tuán)隊(duì)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(shí)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(dá)1.2毫米，血管成像深度可達(dá)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(dāng)?shù)谝淮⑿突p光子顯微鏡的研究即將“破土”時(shí)，一個(gè)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(tái)顯微鏡，性價(jià)比太低了。應(yīng)該先讓中國科研院所、企業(yè)的實(shí)驗(yàn)室用起來，做出領(lǐng)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(tuán)隊(duì)。“國家投入這么大，讓我們長了一身本事，項(xiàng)目結(jié)題后如果團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)的共識。2016年，程和平團(tuán)隊(duì)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(gè)新時(shí)代開啟了。
一場自立自強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)突圍
當(dāng)科學(xué)技術(shù)的光芒照進(jìn)產(chǎn)業(yè)，不僅砥礪技術(shù)創(chuàng)新的成色，也可以點(diǎn)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(guān)鍵核心零部件。團(tuán)隊(duì)核心成員、北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院特聘副研究員吳潤龍記得，最初做原理樣機(jī)時(shí)，團(tuán)隊(duì)從國外一家公司進(jìn)口微型物鏡。
但當(dāng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)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?！皩Ψ揭笪覀冑徺I他們合作伙伴的單光子顯微鏡系統(tǒng)，物鏡不再單獨(dú)售賣，而這個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格要100多萬元。代價(jià)太大，我們不能被‘卡脖子’?！眳菨欭堈f，自此，團(tuán)隊(duì)開始自行設(shè)計(jì)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(jìn)行裝配和測試。
自勝者強(qiáng)。2018年，趙春竹到北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院做博士后研究，為助力物鏡的自主研發(fā)按下了快進(jìn)鍵。
“經(jīng)過三代技術(shù)攻關(guān)，我們已經(jīng)掌握了高端物鏡的設(shè)計(jì)技術(shù)。但在自主設(shè)計(jì)、加工的基礎(chǔ)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(gè)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(shí)一兩天?！壁w春竹回憶，最艱難的時(shí)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?，想辦法迭代技術(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(gè)瓶頸。團(tuán)隊(duì)成員、北大電子學(xué)院副教授王愛民設(shè)計(jì)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(dòng)物體內(nèi)的熒光分子。
但讓王愛民措手不及的是，設(shè)計(jì)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(jià)格，每米光纖的價(jià)格接近萬元，僅光纖的成本就增加了幾百萬元。”他回憶說，團(tuán)隊(duì)被“逼上梁山”，轉(zhuǎn)而聯(lián)袂上海光機(jī)所的一位青年學(xué)者一起摸索加工工藝，進(jìn)行國產(chǎn)化。
在北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)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(dòng)應(yīng)用基礎(chǔ)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(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)無法再現(xiàn)，是因?yàn)榧庸ぶ杏泻芏嗉?xì)節(jié)問題難以解決，這些細(xì)節(jié)在學(xué)術(shù)論文中也難以呈現(xiàn)?！标惲尖f，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(dòng)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(dòng)神經(jīng)科學(xué)、腦科學(xué)乃至整個(gè)生命科學(xué)基礎(chǔ)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(wù)了150余家國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室，年平均銷售額達(dá)5000萬元。今年，公司還將拓展國際市場。
一項(xiàng)世界首創(chuàng)的應(yīng)用
10年前項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)，程和平抱著“從幼兒園開始讀一個(gè)博士學(xué)位”的心態(tài)，研制微型化雙光子顯微鏡。
時(shí)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(tuán)隊(duì)將答卷寫進(jìn)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(tuán)隊(duì)、中國航天員科研訓(xùn)練中心李英賢團(tuán)隊(duì)、北京航空航天大學(xué)馮麗爽團(tuán)隊(duì)聯(lián)合相關(guān)企業(yè)及院所，組建了空間站雙光子顯微鏡項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，由程和平擔(dān)任總負(fù)責(zé)人。
“中國要發(fā)展載人航天、要研究生命科學(xué)，太空是一個(gè)難得的實(shí)驗(yàn)室。在失重環(huán)境下，人體細(xì)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(xì)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(dāng)年11月12日，空間站雙光子顯微鏡搭乘天舟五號貨運(yùn)飛船成功運(yùn)抵中國空間站，成為世界首臺(tái)進(jìn)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(jī)。坐在中國航天員科研訓(xùn)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(gè)團(tuán)隊(duì)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(dòng)不已。
鮮為人知的是，為了達(dá)到航天應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)的劇烈振動(dòng)，這要求它足夠抗振?！白畛?，激光器的核心部件被振得粉碎?！北本┐髮W(xué)未來技術(shù)學(xué)院助理研究員王俊杰記得，為了讓顯微鏡“強(qiáng)健筋骨”，他們將激光器的核心部件設(shè)計(jì)為固態(tài)結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)激光器的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)在激光器外部增加了減震裝置，相當(dāng)于給其上了一層保險(xiǎn)。
超維景的團(tuán)隊(duì)也參與進(jìn)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(yàn)，使部件在短期內(nèi)反復(fù)承受極端高低溫變化應(yīng)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(tuán)隊(duì)還制作多組關(guān)鍵部件樣品，進(jìn)行加量級、破壞性的振動(dòng)沖擊試驗(yàn)，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(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)突破：首次在軌驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了世界上首次雙光子顯微鏡在軌正常運(yùn)行，國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)飛秒激光器在軌正常運(yùn)行，國際上首次在軌、在體觀測航天員細(xì)胞結(jié)構(gòu)和代謝成分信息。
一個(gè)夢想的啟航
從突破理論研究瓶頸，到試水產(chǎn)業(yè)藍(lán)海，再到支撐國家重大戰(zhàn)略需求，程和平團(tuán)隊(duì)將科技創(chuàng)新的底色寫在從技術(shù)創(chuàng)新到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的躍遷中。如今，一個(gè)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(xué)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(wù)平臺(tái)“南京腦觀象臺(tái)”。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(shè)備，幫助科研團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)的身后，還有一群人與他們并肩作戰(zhàn)。
幾乎每天，實(shí)驗(yàn)員陳雪莉都要為小鼠注入觀測所需的熒光蛋白，對小鼠進(jìn)行行為訓(xùn)練。
當(dāng)她為小鼠戴上顯微鏡探頭后，一旁的屏幕上會(huì)立即呈現(xiàn)出小鼠大腦的鈣活動(dòng)影像。
“腦觀象臺(tái)有一支技術(shù)團(tuán)隊(duì)。對于遴選通過的研究項(xiàng)目，技術(shù)團(tuán)隊(duì)會(huì)與科研團(tuán)隊(duì)一起制訂實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，為學(xué)者們制備、訓(xùn)練小鼠，采集小鼠的腦活動(dòng)成像數(shù)據(jù)，再將小鼠的行為學(xué)數(shù)據(jù)和腦活動(dòng)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(shí)，大腦發(fā)生了什么變化。”轉(zhuǎn)化院副院長趙婷解釋，腦觀象臺(tái)希望將學(xué)者們從繁瑣高難的實(shí)驗(yàn)技術(shù)細(xì)節(jié)中解放出來，加速從理論設(shè)想到實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的進(jìn)程。
憑借南京腦觀象臺(tái)成像技術(shù)的支持，科學(xué)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(dú)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(shí)，神經(jīng)元異常放電……
趙婷介紹，如今，腦觀象臺(tái)已經(jīng)服務(wù)了100多家單位的180余個(gè)課題組，開機(jī)時(shí)間累計(jì)超過2萬小時(shí)。腦觀象臺(tái)與江北新區(qū)聯(lián)合發(fā)起的兩期“探索計(jì)劃”，也已累計(jì)支持48項(xiàng)課題研究。
十年春華秋實(shí)。一顆在未名湖畔種下的種子，如今正在千里之外的揚(yáng)子江畔落地生根、開枝散葉，蔭澤全國的腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等領(lǐng)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(jìn)現(xiàn)實(shí)，中國腦科學(xué)研究風(fēng)華正茂。
