集成創新，多學科交叉研發：北大團隊實現了腦科學研究的“天方夜譚”般的新范式！

集成創新，多學科交叉研發：北大團隊實現了腦科學研究的“天方夜譚”般的新范式！

導語

該研究被諾貝爾獎得主愛德華·莫澤稱為“革命性”的新工具。

編者按：

北京大學分子醫學研究所程和平院士牽頭的多學科交叉研發團隊，經過三年多的不懈努力，在高時空分辨在體成像系統研制方面取得突破性技術革新，成功研制出2.2克微型化可佩戴式雙光子熒光顯微鏡，完成了“天方夜譚”般的任務。該研究被諾貝爾獎得主愛德華·莫澤稱為“革命性”的新工具。“微型雙光子顯微成像系統”的問世，將建立起今后腦科學研究的新范式，成為研究的標準化方法，為正在蓬勃發展的神經科學提供強有力的實驗工具。

今年2月27日，科技部公布了“2017年度中國科學十大進展”，其中，程和平院士牽頭的“研制出可實現自由狀態腦成像的微型顯微成像系統”項目從270項推薦進展中脫穎而出，成功入選。

北京大學分子醫學研究所程和平、陳良怡研究團隊，信息科學技術學院張云峰、王愛民團隊等聯合組成多學科交叉研發大團隊，在自然科學基金委國家重大科研儀器研制項目的支持下，運用微電子、微光學和超快激光等技術，在高時空分辨在體成像系統研制方面取得突破性技術革新，成功研制出2.2克微型化可佩戴式雙光子熒光顯微鏡，在國際上首次記錄了懸尾、跳臺、社交等自然行為條件下，小鼠大腦神經元和神經突觸活動的高速高分辨圖像。

從起初被國外同行咬定為“不可能實現”的15克原型機，到最后實現的僅為2.2克的微型化裝置，團隊經過了三年多的不懈努力。談論起團隊的研究成果，程和平充滿自豪：“中國終于有了自主研發的、領先學界的實驗儀器。”

視頻：2.2g微型雙光子熒光顯微鏡

▍熒光分子：微觀世界的眼睛

打造用于全景式解析腦連接圖譜和功能動態圖譜的研究工具，是目前世界范圍內腦科學研究的核心方向之一。

如何打破尺度壁壘，整合微觀神經元和神經突觸活動與大腦整體的活動和個體行為信息，是領域內亟待解決的一個關鍵問題。

早在上世紀90年代，雙光子顯微成像技術就已成形。熒光分子同時吸收2個長波長的光子，在經過一個很短的所謂激發態壽命的時間后，發射出一個波長較短的光子，就能完成對神經細胞“看”的過程。

然而，對于實時觀測自由運動的模式動物神經元來說，經典的雙光子顯微鏡過于龐大，需要限制模式動物的活動，只能在動物固定的情況下做成像實驗，這樣不僅限制了動物行為，而且限制了研究領域，例如動物肢體參與的行為學是無法研究的。

目前領域內主導的美國腦科學計劃核心團隊所研發的微型化單光子寬場顯微鏡，不能達到單樹突棘的成像分辨率，難以滿足大多數神經科學家的訴求。

圖：2.2g微型雙光子熒光顯微鏡

在這樣的現狀下，微型化雙光子顯微成像系統體現了它難以替代的作用。

相比于單光子成像，雙光子的特征波長要長一倍，在腦組織內穿透深度則高出十幾倍，達到幾百微米。

僅幾克重的、僅指甲蓋大小的可穿戴裝置，配合柔性光子晶體光纖，即可觀察突觸的放電行為，研究神經元活動。裝置通過將運動中的小鼠的神經信號轉化為光信號，再轉化為電信號進行進一步分析，做到“看一看”小老鼠的腦中是什么活動。

“用我們這個顯微系統可以看到兩個小老鼠談戀愛時，腦子里是怎么活動的，”程和平幽默地說，“還挺有詩意的。”

目前已研制出的一代機視場為120μm，一次性可觀察幾十個細胞的神經活動。而正在研制的二代機視場為400μm，同時實現了深度達200μm的三維成像，可觀測到約兩千個細胞。 

圖：第一代微型雙光子整機工程化

在自由行動動物的大腦中，數千個細胞的集體行為能夠同時被研究，建立起神經系統的動態圖譜，這是前所未有的。

圖：記錄小鼠懸尾跳臺社交時腦神經活動

2017年10月，諾貝爾生物學或醫學獎獲得者愛德華·莫澤 （Edvard I. Moser）博士專程訪問北大微型化雙光子顯微鏡跨學科聯合實驗室，他對微型化雙光子顯微鏡給予了很高的贊譽，稱其將為神經科學研究，特別是為他所研究的大腦空間定位神經系統提供了一個“革命性”的新工具。

“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明，它所開啟的大門，甚至超越了神經元和樹突成像。”冷泉港亞洲腦科學專題會議主席阿爾希諾·席爾瓦（Alcino J. Silva）教授在評述中寫道。

“微型雙光子顯微成像系統”的問世，將建立起今后腦科學研究的新范式，成為研究的標準化方法，為正在蓬勃發展的神經科學提供一個強有力的實驗工具。

▍集成創新：打破學科的壁壘

要做成這樣一個“不可能完成”的任務，離不開不同學科交叉以及多個研究所的合作。

團隊于2014年正式創建，由北京大學分子醫學研究所、信息科學技術學院、生物動態成像中心、生命科學學院、工學院聯合中國人民解放軍軍事醫學科學院，共十幾個實驗室參與，組成跨八大學科的研究團隊，共有三四十名學生參與研究，集合了光纖激光、生物實驗、光路系統、電路控制等領域的人才。

“我所做的工作，一是當教練，二是當翻譯。把學科之間的壁壘打破，讓大家能真正在一個屋檐下一起學習交流，彼此理解。”在這樣龐大的學科研究項目中，有著力學、生物學、電子學交叉背景的程和平院士起到了關鍵的統籌作用。談到整個項目成功的關鍵，程和平認為離不開“集成創新”。

起初，大家都沒有做大儀器設備的經驗。團隊成立的頭兩年，共同組織學習了一百多次。不僅把國際各個領域的專家、相關的同行、一些儀器公司里的應用科學家請進來一同學習交流。還走出去到斯坦福大學、加州大學進行訪問交流。

圖：“請進來”學習交流的專家學者們

在一個新的方向上摸索總是艱難的。

當時，國際上的同行普遍不看好這個項目，認定以已有的技術最多做到150克，而至于預期的15克簡直是“天方夜譚”。

圖：超高時空分辨、微型化、雙光子在體成像系統（2013想象圖）

缺乏絕對的把握也是研發中的一個重要障礙，程和平坦言：“我們有信心，但是只有做出來才算。在技術路徑上的不是一個障礙，而是一堆的障礙，我們得一個個攻破。” 

“要實現集成創新，就意味著我們要把一些在別的領域已經成熟的技術，應用到我們所需要的領域上去。” 在程和平團隊中負責主要研發工作的宗偉健說道。

在這次的雙光子成像顯微系統的研發中，不論是掃描器件還是自主設計的920nm激光光纖，都離不開創新和不斷的嘗試。

圖：核心技術體系

“我們在整體上做到了極致。”談到團隊的成果，宗偉健很自豪。

▍未來展望：空前規模的腦觀測平臺

“神經科學的研究就是讀、識、寫、仿四個過程，讀這個過程我們已經制造了一個利器。”程和平介紹道。

“超高時空分辨微型化雙光子熒光顯微鏡” 將為實現“分析腦、理解腦、模仿腦”的戰略目標發揮不可或缺的重要作用。

在神經生物學研究中的進一步應用將改變我們在自由活動動物中觀察細胞和亞細胞結構的方式，即通過對細胞群體中可辨識的細胞和亞細胞結構的復雜生物學事件進行成像觀測，從而更加深刻地理解進化所造就的大腦環路實現復雜行為的核心工程學原理。這樣有可能給人工智能領域帶來新的思路。

比如，有望在帕金森癥、自閉癥等小鼠模型研究行為改變的神經基礎上，研究小鼠學習、記憶腦皮層信息處理機制等。

同時，“超高時空分辨微型化雙光子熒光顯微鏡”與光遺傳學刺激、碳纖維電極電化學和電生理融合技術的結合，有望在結構與功能成像的同時，精準地操控神經元和神經回路的活動。

圖：小鼠佩戴2.2g微型雙光子熒光顯微鏡

在產業化道路上，團隊已然邁出了第一步。

為了擴大研究成果的影響力，推動腦科學發展，團隊成立了“超維景”公司，在推廣設備的同時，還能為團隊內優秀的青年學生提供一個創業的平臺。目前，公司已經與歐洲、美國等多家頂尖腦科學實驗室達成合作關系。

利用“微型化雙光子熒光顯微鏡”，有望建成一個規模化、集約化、高通量、一體化信息融合的先進成像平臺，采集和整合從分子到細胞再到高級組織的跨層次、跨尺度的結構和功能信息。

圖：高通量腦動態成像平臺

有專業的操作人員，流水線的作業，曾經耗時一年的實驗觀測分析有望在一周之內就完成。

“這在規模上是空前的，”對于正在計劃建設的大型腦觀測平臺，程和平充滿信心，“希望能成為我們國家的一張名片。”

在富有活力的神經科學前沿，程和平團隊已經搶占了先機。他們的未來，值得期待。

圖：多模態微型化雙光子顯微鏡整機

（本文來源：北京大學微信公眾號；）