頭戴微型化雙光子顯微鏡的小鼠。北京大學分子醫(yī)學研究所供圖

　　5月31日，北京大學舉行專題新聞發(fā)布會，宣布北京大學聯(lián)合中國人民解放軍軍事醫(yī)學科學院組成跨學科團隊，成功研制出新一代微型化雙光子熒光顯微鏡。這一微型顯微鏡重量僅為2.2克，可以佩戴在小鼠頭部獲取小鼠在自由行為過程中大腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動清晰、穩(wěn)定的圖像，在國際上被認為是該科研領域?qū)崿F(xiàn)的重大突破。

　　小小顯微鏡實現(xiàn)重大技術突破

　　人類1400克的大腦，如同一個小小的宇宙，包含了百億級神經(jīng)元和百萬億級的神經(jīng)突觸，隱藏著世界上最美麗最深邃的奧秘。進入21世紀以來，世界科技強國紛紛啟動有史以來最大規(guī)模的腦科學研究計劃，人類探索大腦的歷史畫卷正在展開。

　　工欲善其事，必先利其器。目前，各國腦科學計劃的一個核心方向就是打造用于全景式解析腦連接圖譜和功能動態(tài)圖譜的研究工具。研究工具的研發(fā)，也早已列入我國的科學計劃，2012年國家自然科學基金委啟動“國家重大科研儀器設備研制專項”計劃，這款新一代微型化雙光子熒光顯微鏡，就是在這個專項計劃的支持下取得的成果。

　　“如何打破尺度壁壘，整合微觀神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動與大腦整體的活動和個體行為信息，是世界腦科學領域面臨的一個關鍵挑戰(zhàn)?！北本┐髮W分子醫(yī)學研究所教授程和平院士介紹說，新一代微型化雙光子熒光顯微鏡正是在這個方向上做出突破，它體積小，重量僅2.2克，適于佩戴在小動物頭部顱窗上，實時記錄數(shù)十個神經(jīng)元、上千個神經(jīng)突觸的動態(tài)信號。在大型動物上，還有望實現(xiàn)多探頭佩戴、多顱窗不同腦區(qū)的長時程觀測?！斑@種成像技術改變了在自由活動的動物中觀察細胞和亞細胞結(jié)構(gòu)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(jīng)突觸、神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡、遠程連接的腦區(qū)等多尺度、多層次動態(tài)變化?！?/p>

　　據(jù)了解，這項成果得到包括多位諾貝爾獎獲得者在內(nèi)的國內(nèi)外神經(jīng)科學家的肯定，美國著名神經(jīng)科學家阿爾西諾·席爾瓦（Alcino Silva）教授表示：“從任何一個標準來看，這款顯微鏡都代表了一項重大技術發(fā)明，必將改變我們在自由活動的動物中觀察細胞和亞細胞結(jié)構(gòu)的方式。它所開啟的大門，甚至超越了神經(jīng)元和樹突成像。系統(tǒng)神經(jīng)生物學正在進入一個新的時代，毫無疑問，這項非凡的發(fā)明讓我們向著這一目標邁進了一步?！?/p>

　　努力實現(xiàn)領跑成像技術

　　不僅在腦科學，事實上在整個生命科學的發(fā)展中，成像技術都是推動其進步的重要動力。但生命科學的發(fā)展趨勢仍在對成像技術不斷提出挑戰(zhàn)。“當前生命科學研究已從還原論上升到整體論，即從細胞層次向整合生物學發(fā)展，需要新的成像技術提供支撐?！背毯推秸f。

　　在這樣的挑戰(zhàn)前，中國科學家有了和世界競爭的機遇。

　　以新一代微型化雙光子熒光顯微鏡為例，其解決了該領域的多個難題，使中國在微型顯微鏡研究領域處在開始領跑的狀態(tài)：

　　新一代微型化雙光子熒光顯微鏡相比單光子激發(fā)、雙光子激發(fā)具有良好的光學斷層、更深的生物組織穿透等優(yōu)勢，其橫向分辨率達到0.65微米，成像質(zhì)量與商品化大型臺式雙光子熒光顯微鏡可相媲美，遠優(yōu)于目前領域內(nèi)主導的、美國腦科學計劃核心團隊所研發(fā)的微型化寬場顯微鏡。

　　此外，新一代微型化雙光子熒光顯微鏡采用雙軸對稱高速微機電系統(tǒng)轉(zhuǎn)鏡掃描技術，成像幀頻已達40赫茲（256×256像素），同時具備多區(qū)域隨機掃描和每秒1萬線的線掃描能力；采用自主設計可傳導920納米飛秒激光的光子晶體光纖，該系統(tǒng)首次實現(xiàn)了微型雙光子顯微鏡對腦科學領域最廣泛應用的指示神經(jīng)元活動的熒光探針的有效利用；采用柔性光纖束進行熒光信號的接收，解決了動物的活動和行為由于熒光傳輸光纜拖拽而受到干擾的難題。

　　另據(jù)北京大學副校長王杰介紹，新一代微型化雙光子熒光顯微鏡在研制過程中鍛煉了一支以年輕研究員和碩博研究生為主體、具有學科交叉背景和核心技術創(chuàng)新能力的“中國智造”隊伍。