什么是微型化雙光子熒光顯微鏡？
成像技術(shù)是推動(dòng)生命科學(xué)進(jìn)步的核心動(dòng)力。上世紀(jì)以來，人類陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了包括X射線、全息照相法、CT、電子顯微鏡、MRI磁共振成像、超高分辨率顯微成像在內(nèi)的多種成像技術(shù)。
而近年來，生命科學(xué)研究的發(fā)展趨勢從分子與細(xì)胞的層級(jí)上升到離體組織與器官、歷經(jīng)在體麻醉動(dòng)物細(xì)胞顯微到現(xiàn)在的清醒動(dòng)物的分子與細(xì)胞動(dòng)態(tài)信號(hào)，不斷對成像技術(shù)提出新的要求，即在清醒活體的狀態(tài)下還要保證分子水平的分辨率。
主導(dǎo)本次研發(fā)過程的程和平院士團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，雙光子顯微成像會(huì)是解決這個(gè)挑戰(zhàn)的一個(gè)重要方面。
程和平院士
據(jù)程院士介紹，雙光子顯微鏡其實(shí)不是新鮮事物，1930年代，M·Goeppert Mayer就提出了雙光子吸收躍遷的基本原理；1960年代，激光器的發(fā)明使得雙光子效應(yīng)被驗(yàn)證和應(yīng)用；1990年，Denk，Webb發(fā)明了第一臺(tái)雙光子顯微鏡，至今已有20多年的歷史。
如今，雙光子熒光顯微鏡是活體動(dòng)物神經(jīng)成像的經(jīng)典方法。雙光子成像本身具有高分辨率、高通量(高速)、非侵入、成像深度大等特點(diǎn)，與熒光蛋白以及熒光染料等標(biāo)記物在細(xì)胞中的定位與表達(dá)技術(shù)相結(jié)合，能夠在生命體和細(xì)胞仍具有活性的狀態(tài)下對其功能進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察，使得人們可以研究處于生理狀態(tài)時(shí)的動(dòng)物大腦內(nèi)的神經(jīng)元活動(dòng)。
雙光子成像技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)
程院士認(rèn)為，盡管雙光子成像有看得準(zhǔn)、看得深、光損傷小等優(yōu)點(diǎn)，但也存在看活體不準(zhǔn)、掃描速度慢、體積龐大無法便攜化等缺點(diǎn)。
之前在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，如果科學(xué)家想要對小動(dòng)物在行為過程中的大腦活動(dòng)進(jìn)行成像研究，是采用了一種看起來非常好玩而又黑科技的方式。
將虛擬現(xiàn)實(shí)與雙光子成像相結(jié)合，在小動(dòng)物頭部被固定的情況下，在其眼前制造影像，讓動(dòng)物認(rèn)為自己處在“真實(shí)”的環(huán)境之中，通過動(dòng)物四肢在類似跑步機(jī)或者鼠標(biāo)滾球上的運(yùn)動(dòng)來模擬其真實(shí)活動(dòng)，以求達(dá)到研究神經(jīng)元在動(dòng)物行為中所起到的作用。
但是，這種虛擬現(xiàn)實(shí)加頭部固定成像的方法，已經(jīng)遭到許多科學(xué)家的質(zhì)疑。他們認(rèn)為，頭部被固定會(huì)使動(dòng)物在實(shí)驗(yàn)期間受到物理約束和情緒的壓力，因此無法證明虛擬現(xiàn)實(shí)下得到的結(jié)果等同于真實(shí)環(huán)境。
更重要的是，許多社會(huì)行為，比如親子護(hù)理，交配和戰(zhàn)斗，是不能用頭部固定的方式進(jìn)行研究的。如何在動(dòng)物自由活動(dòng)的時(shí)候，直接對其神經(jīng)元進(jìn)行成像，是神經(jīng)科學(xué)家還未能得到解決終極的訴求。
所以，開發(fā)一種微型熒光顯微鏡，讓其直接固定在自由活動(dòng)的動(dòng)物身上成為了解決問題的關(guān)鍵。十多年來，人們經(jīng)歷了微型單光子寬場顯微鏡；重達(dá)25克、且成像速度慢的雙光子顯微鏡等階段，一直無法攻克微型雙光子顯微鏡需要解決的諸多技術(shù)難題。
新一代微型化雙光子熒光顯微鏡的性能
在這樣的背景下，北京大學(xué)聯(lián)合解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院組成了跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)，歷經(jīng)三年時(shí)間，成功研制出新一代高速高分辨微型化雙光子熒光顯微鏡，并獲取了小鼠在自由行為過程中大腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動(dòng)清晰、穩(wěn)定的圖像。原始論文于5月29日在線發(fā)表于自然雜志子刊 Nature Methods 上。
據(jù)悉，新一代微型化雙光子熒光顯微鏡重量僅2.2克，橫向分辨率可達(dá)到0.65微米，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。采用雙軸對稱高速微機(jī)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)鏡掃描技術(shù)，成像幀頻已達(dá)40HZ（256*256像素），同時(shí)具備多區(qū)域隨機(jī)掃描和每秒1萬線的線掃描能力。
此外，采用自主設(shè)計(jì)可傳導(dǎo)920nm飛秒激光的光子晶體光纖，該系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了微型雙光子顯微鏡對腦科學(xué)領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用的指示神經(jīng)元活動(dòng)的熒光探針（如GCaMP6）的有效利用。同時(shí)采用柔性光纖束進(jìn)行熒光信號(hào)的接收，解決了動(dòng)物的活動(dòng)和行為由于熒光傳輸光纜拖拽而受到干擾的難題。未來，與光遺傳學(xué)技術(shù)的結(jié)合，有望在結(jié)構(gòu)與功能成像的同時(shí)，精準(zhǔn)地操控神經(jīng)元和神經(jīng)回路的活動(dòng)。
研究意義和價(jià)值
微型化雙光子熒光顯微成像改變了在自由活動(dòng)動(dòng)物中觀察細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的方式，可用于在動(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。
該成果在2016年底美國神經(jīng)科學(xué)年會(huì)、2017年5月冷泉港亞洲腦科學(xué)專題會(huì)議上報(bào)告后，得到包括多位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者在內(nèi)的國內(nèi)外神經(jīng)科學(xué)家的高度贊譽(yù)。
冷泉港亞洲腦科學(xué)專題會(huì)議主席、美國著名神經(jīng)科學(xué)家加州大學(xué)洛杉磯分校的Alcino J Silva教授在評述中寫道
從任何一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來看，這款顯微鏡都代表了一項(xiàng)重大技術(shù)發(fā)明，必將改變我們在自由活動(dòng)動(dòng)物中觀察細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的方式。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(xué)正在進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代，即通過對細(xì)胞群體中可辨識(shí)的細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜生物學(xué)事件進(jìn)行成像觀測，從而更加深刻地理解進(jìn)化所造就的大腦環(huán)路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜行為的核心工程學(xué)原理。毫無疑問，這項(xiàng)非凡的發(fā)明讓我們向著這一目標(biāo)邁進(jìn)了一步。
目前腦科學(xué)的發(fā)展如火如荼，各國腦科學(xué)計(jì)劃的一個(gè)核心方向就是打造用于全景式解析腦連接圖譜和功能動(dòng)態(tài)圖譜的研究工具。其中，如何打破尺度壁壘，整合微觀神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動(dòng)與大腦整體的活動(dòng)和個(gè)體行為信息，是領(lǐng)域內(nèi)亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
該設(shè)備的成功問世對于腦科學(xué)的研究有重大意義，人類探索大腦星辰大海的征程又進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。
程和平院士團(tuán)隊(duì)接受采訪
研究團(tuán)隊(duì)接受采訪
主題演講結(jié)束后，程和平院士團(tuán)隊(duì)接受了雷鋒網(wǎng)等媒體的采訪，以下是采訪實(shí)錄，雷鋒網(wǎng)做了不改變原意的整理：
1、提到腦科學(xué)，不得不讓人聯(lián)想到現(xiàn)在很火熱的人工智能。請問目前你們團(tuán)隊(duì)所取得的成績可以和人工智能的哪方面研究做對接？
程院士團(tuán)隊(duì)：目前的人工智能還處于弱人工智能階段，要想實(shí)現(xiàn)強(qiáng)人工智能，還是要像生物腦進(jìn)行學(xué)習(xí)。最簡單的一個(gè)模式生物，學(xué)會(huì)一件事情或者說一個(gè)條件學(xué)習(xí)的過程，只需要半個(gè)小時(shí)或一個(gè)小時(shí)就能形成。
在這個(gè)過程中神經(jīng)的回路正在發(fā)生了什么變化，原來是沒辦法知道的，但是用了我們這些微型化的鏡子，就可以在它們執(zhí)行某個(gè)動(dòng)作的學(xué)習(xí)的過程中看到各個(gè)回路不同層次的特性變化。
2、現(xiàn)在的顯微鏡技術(shù)和你們新研究出來的技術(shù)有何區(qū)別？新研究的先進(jìn)性體現(xiàn)在哪里？
程院士團(tuán)隊(duì)：我們的競爭對手是Mark Schnitzer教授，他是美國腦計(jì)劃的發(fā)起人，所以我們剛開始也是征詢了他們的意見的。我們和他們最大的不同是在同樣重量的情況下，我們的分辨率更高、而且看的更深。
3、這個(gè)研究成果在人類大腦的應(yīng)用前景如何？
程院士團(tuán)隊(duì)：比如，在外科手術(shù)的臨床應(yīng)用上，因?yàn)槲覀兛梢蕴峁┦殖质降募夹g(shù)，當(dāng)需要做開顱手術(shù)的時(shí)候，就可以看到腫瘤的邊界和大腦的神經(jīng)活動(dòng)。
4、這項(xiàng)研究的商業(yè)化進(jìn)展如何？
程院士團(tuán)隊(duì)：目前已經(jīng)有兩個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者對我們的研究感興趣，想一起合作。說明這個(gè)技術(shù)還是很受歡迎的。就像剛才說的，一方面能夠?qū)⒓夹g(shù)封裝為手持式或內(nèi)窺的醫(yī)用設(shè)備，一方面神經(jīng)科學(xué)家需要的那種顯微鏡，一只研究的小鼠頭上就要帶一臺(tái)，如果是猴子的話可能要帶幾臺(tái)，所以我們認(rèn)為市場還是非常大的。
