我科学家成功研制新一代微型显微镜
重量仅2.2克，是该科研领域重大突破
光明日报记者 王庆环
5月31日，北京大学举行专题新闻发布会，宣布北京大学联合中国人民解放军军事医学科学院组成跨学科团队，成功研制出新一代微型化双光子荧光显微镜。这一微型显微镜重量仅为2.2克，可以佩戴在小鼠头部获取小鼠在自由行为过程中大脑神经元和神经突触活动清晰、稳定的图像，在国际上被认为是该科研领域实现的重大突破。
小小显微镜实现重大技术突破
人类1400克的大脑，如同一个小小的宇宙，包含了百亿级神经元和百万亿级的神经突触，隐藏着世界上最美丽最深邃的奥秘。进入21世纪以来，世界科技强国纷纷启动有史以来最大规模的脑科学研究计划，人类探索大脑的历史画卷正在展开。
头戴微型化双光子显微镜的小鼠。北京大学分子医学研究所供图
工欲善其事，必先利其器。目前，各国脑科学计划的一个核心方向就是打造用于全景式解析脑连接图谱和功能动态图谱的研究工具。研究工具的研发，也早已列入我国的科学计划，2012年国家自然科学基金委启动“国家重大科研仪器设备研制专项”计划，这款新一代微型化双光子荧光显微镜，就是在这个专项计划的支持下取得的成果。
“如何打破尺度壁垒，整合微观神经元和神经突触活动与大脑整体的活动和个体行为信息，是世界脑科学领域面临的一个关键挑战。”北京大学分子医学研究所教授程和平院士介绍说，新一代微型化双光子荧光显微镜正是在这个方向上做出突破，它体积小，重量仅2.2克，适于佩戴在小动物头部颅窗上，实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号。在大型动物上，还有望实现多探头佩戴、多颅窗不同脑区的长时程观测。“这种成像技术改变了在自由活动的动物中观察细胞和亚细胞结构的方式，可用于在动物觅食、哺乳、跳台、打斗、嬉戏、睡眠等自然行为条件下，或者在学习前、学习中和学习后，长时程观察神经突触、神经元、神经网络、远程连接的脑区等多尺度、多层次动态变化。”
据了解，这项成果得到包括多位诺贝尔奖获得者在内的国内外神经科学家的肯定，美国著名神经科学家阿尔西诺·席尔瓦（Alcino Silva）教授表示：“从任何一个标准来看，这款显微镜都代表了一项重大技术发明，必将改变我们在自由活动的动物中观察细胞和亚细胞结构的方式。它所开启的大门，甚至超越了神经元和树突成像。系统神经生物学正在进入一个新的时代，毫无疑问，这项非凡的发明让我们向着这一目标迈进了一步。”
努力实现领跑成像技术
不仅在脑科学，事实上在整个生命科学的发展中，成像技术都是推动其进步的重要动力。但生命科学的发展趋势仍在对成像技术不断提出挑战。“当前生命科学研究已从还原论上升到整体论，即从细胞层次向整合生物学发展，需要新的成像技术提供支撑。”程和平说。
在这样的挑战前，中国科学家有了和世界竞争的机遇。
以新一代微型化双光子荧光显微镜为例，其解决了该领域的多个难题，使中国在微型显微镜研究领域处在开始领跑的状态：
新一代微型化双光子荧光显微镜相比单光子激发、双光子激发具有良好的光学断层、更深的生物组织穿透等优势，其横向分辨率达到0.65微米，成像质量与商品化大型台式双光子荧光显微镜可相媲美，远优于目前领域内主导的、美国脑科学计划核心团队所研发的微型化宽场显微镜。
此外，新一代微型化双光子荧光显微镜采用双轴对称高速微机电系统转镜扫描技术，成像帧频已达40赫兹（256×256像素），同时具备多区域随机扫描和每秒1万线的线扫描能力；采用自主设计可传导920纳米飞秒激光的光子晶体光纤，该系统首次实现了微型双光子显微镜对脑科学领域最广泛应用的指示神经元活动的荧光探针的有效利用；采用柔性光纤束进行荧光信号的接收，解决了动物的活动和行为由于荧光传输光缆拖拽而受到干扰的难题。
另据北京大学副校长王杰介绍，新一代微型化双光子荧光显微镜在研制过程中锻炼了一支以年轻研究员和硕博研究生为主体、具有学科交叉背景和核心技术创新能力的“中国智造”队伍。
（光明日报北京5月31日电）
《光明日报》（ 2017年06月01日 06版）
