深瞳工作室出品
科技日報記者 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，開展在軌驗證實驗任務并取得成功。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，中國科學院院士、北京大學未來技術學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練中心內，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。
當日，神舟十五號航天員乘組，使用空間站雙光子顯微鏡進行成像測試。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構及細胞的三維分布影像。
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，開展在軌驗證實驗任務并取得成功。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)現空間環(huán)境中人體變化規(guī)律，就更好了！”程和平捧著手機與記者分享這些科學圖像時說。
只有了解程和平團隊十年來經歷的艱難曲折，才能體會這些圖像的來之不易。2013年，程和平帶領團隊開啟微型化雙光子顯微鏡研究時，“全世界都不看好”。
歷經10年，該團隊完成了從科研儀器技術創(chuàng)新，到技術產品化，再到技術服務平臺化的躍遷。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)得到推廣應用，為腦科學研究搭建起重要實驗平臺、提供了海量數據支持。
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知疆域，為探索腦機接口原理、深化對大腦疾病機制的了解、推進藥物研發(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
意識的生物學基礎是什么，記憶是如何存儲和恢復的……在世界各國的腦科學計劃中，這些問題吸引著全球科學家們不斷上下求索。
在2021年國際權威學術期刊《科學》發(fā)布的125個最前沿的科學問題中，有22個問題與腦科學相關。
雙光子顯微鏡的出現，仿佛是照在生命科學研究領域的一束光。
1992年，程和平用世界上第二臺雙光子顯微鏡，首次實現了心肌線粒體成像。
“雙光子顯微鏡，是用兩個光子同時激發(fā)同一個熒光分子的光學成像技術。它具有天然的光學斷層掃描效果，能看到的組織深度更深，成像的清晰度更高，像一個高性能的X光機?！背毯推秸f，與單光子顯微鏡相比，雙光子顯微鏡看得準、看得深、光損傷小。但傳統(tǒng)的臺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物或者動物的腦切片。
研究一款微型化雙光子顯微鏡，觀察自由行走的小動物腦袋中的一顆顆神經元的動態(tài)變化，成為程和平藏在心底的一個夢想。
一個夢想的點燃，有時只需一個使命的召喚。
2013年，國家自然科學基金委員會啟動了國家重大科研儀器研制項目。程和平帶隊申請了“超高時空分辨微型化雙光子在體顯微成像系統(tǒng)”項目。
那一年，美國啟動“創(chuàng)新性神經技術推動的腦計劃”，歐盟啟動了旨在建立大型腦科學研究數據庫和腦功能計算機模擬平臺的“人腦計劃”。
而此前，我國在《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》中，已把“腦科學與認知”列入基礎研究8個科學前沿問題之一。
“中國科學家只有用自己研發(fā)的觀測儀器，做出原創(chuàng)性的腦科學成果，國際科學界才會認可。我們希望研制一款成像儀，率先讓中國科學家用起來。用國外的儀器做研究，都是在別人建設的四梁八柱上做文章?！背毯推接檬姑剡_的決心來籌備項目的啟動。
一場跨越山海的探索
想實現雙光子顯微鏡在自由活動的動物體上的高清成像，必須為它“瘦身”。
然而，極大的技術難度，讓團隊一度面臨質疑。程和平向科技日報記者坦言，7200萬元的投入“相當于一噸百元大鈔”，究竟能不能收獲一個看得見的未來，大家當時心里很忐忑。“那時世界多國嘗試微型化雙光子顯微鏡的研制，但都沒有實質性突破，嘗試十幾次都無疾而終。”他說。
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，并實現了大鼠在體鈣成像信號。但其空間分辨率極低，也未實現真正的自由運動下的成像。
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隊，團隊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，有人能做大數據分析……然而，研究起步階段，團隊中無人具備研制系統(tǒng)性科研設備的經驗，技術路線也不確定。
“怎么辦？只有一點點地認真做?！背毯推浇o團隊立下軍令狀。
在項目開始的前兩年，大家爭分奪秒地汲取多學科的營養(yǎng)。在北京大學分子醫(yī)學研究所300平方米的大儀器聯(lián)合實驗室里，來自機械、光學、生物、電路等研究領域的師生匯聚在一起，交流切磋。每周六上午的集體學習，大家分享一周行業(yè)動態(tài)，介紹各自研究進展。同時，大量的國內外頂尖專家被邀請來作報告。
引進來的同時，團隊也頻頻走出去。僅2014年，他們就涉足美國、俄羅斯、澳大利亞、西班牙。每去一個地方，大家都會在當天晚上寫好總結，發(fā)給團隊共同學習。
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
2017年，團隊終于迎來了振奮人心的進展。
在如今北京大學膜生物學國家重點實驗室設備研發(fā)平臺內，一個只有拇指大小、重約2.2克的顯微鏡探頭，被珍藏在實驗室深處——這是團隊于2017年成功研制的第一臺微型化雙光子顯微鏡的核心部件。
這臺顯微鏡可以實現高時空分辨微型化成像，能實時記錄數十個神經元、上千個神經突觸動態(tài)信號。這些突破性的進展，使其入選2017年中國科學十大進展。
4年后，該團隊推出微型化雙光子顯微鏡的2.0版本，其成像視野擴大到初代顯微鏡的7.8倍，同時具備三維成像能力，獲取了小鼠在自由運動行為中大腦三維區(qū)域內上千個神經元清晰穩(wěn)定的動態(tài)功能圖像。
今年2月，團隊又發(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，首次實現對自由行為中小鼠的大腦全皮層和海馬神經元功能成像，神經元鈣信號最大成像深度可達1.2毫米，血管成像深度可達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，當第一代微型化雙光子顯微鏡的研究即將“破土”時，一個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臺顯微鏡，性價比太低了。應該先讓中國科研院所、企業(yè)的實驗室用起來，做出領先國際的研究，再向國際市場推廣。”
讓程和平下定決心辦公司的，還有3年來培養(yǎng)起來的一支團隊?！皣彝度脒@么大，讓我們長了一身本事，項目結題后如果團隊散了就太可惜了?！背毯推秸f。
辦公司讓研究成果產品化，成為程和平團隊的共識。2016年，程和平團隊創(chuàng)立了北京超維景生物科技有限公司（以下簡稱超維景）。
一個新時代開啟了。
一場自立自強的產業(yè)突圍
當科學技術的光芒照進產業(yè)，不僅砥礪技術創(chuàng)新的成色，也可以點亮一片“暗夜”。要將高端精密科研儀器產品化，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鍵核心零部件。團隊核心成員、北京大學未來技術學院特聘副研究員吳潤龍記得，最初做原理樣機時，團隊從國外一家公司進口微型物鏡。
但當團隊進入顯微鏡產品化階段后，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)，物鏡不再單獨售賣，而這個系統(tǒng)的價格要100多萬元。代價太大，我們不能被‘卡脖子’?！眳菨欭堈f，自此，團隊開始自行設計高數值孔徑的微型物鏡，并聯(lián)合國內企業(yè)加工，在超維景進行裝配和測試。
自勝者強。2018年，趙春竹到北京大學未來技術學院做博士后研究，為助力物鏡的自主研發(fā)按下了快進鍵。
“經過三代技術攻關，我們已經掌握了高端物鏡的設計技術。但在自主設計、加工的基礎上，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)一調試，但發(fā)現精度相差太大。后來，我們優(yōu)化了裝調工藝，每安裝一片鏡片，都用儀器檢測光軸偏移量、焦距等參數。由于物鏡直徑太小，一開始，調整幾微米的誤差，都要耗時一兩天?！壁w春竹回憶，最艱難的時候，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，最終攻克了高端微型物鏡裝配技術。
光纖是顯微鏡微型化的另一個瓶頸。團隊成員、北大電子學院副教授王愛民設計了一款蜂窩狀的空芯光子帶隙光纖，讓激光通過光纖傳輸到微型化探頭的過程中，脈沖不發(fā)生畸變、能量幾乎不損耗，以有效激發(fā)小動物體內的熒光分子。
但讓王愛民措手不及的是，設計方案有了，國內卻沒有廠家能生產這種光纖。“我們最初找了一家外國公司訂制。但一年后，這家公司提出翻番的價格，每米光纖的價格接近萬元，僅光纖的成本就增加了幾百萬元。”他回憶說，團隊被“逼上梁山”，轉而聯(lián)袂上海光機所的一位青年學者一起摸索加工工藝，進行國產化。
在北京大學未來技術學院教授陳良怡看來，科研儀器國產化過程中的突圍，也將帶動應用基礎研究與產業(yè)發(fā)展“雙向奔赴”。
“我們的論文發(fā)表后，很多技術被公開了，但很多人做重復實驗時無法再現，是因為加工中有很多細節(jié)問題難以解決，這些細節(jié)在學術論文中也難以呈現。”陳良怡說，如果想將這款顯微鏡盡快用起來，就要將科研成果產品化，帶動產業(yè)的發(fā)展。而產品化的過程，也促使他們思考，如何用成像技術推動神經科學、腦科學乃至整個生命科學基礎研究的發(fā)展。
目前，超維景研制的微型化雙光子顯微鏡已服務了150余家國內實驗室，年平均銷售額達5000萬元。今年，公司還將拓展國際市場。
一項世界首創(chuàng)的應用
10年前項目啟動時，程和平抱著“從幼兒園開始讀一個博士學位”的心態(tài)，研制微型化雙光子顯微鏡。
時光浩蕩向前，多年的厲兵秣馬是否能支撐國家重大戰(zhàn)略需求？團隊將答卷寫進宇宙蒼穹。
2019年，在中國載人航天工程辦公室大力支持下，程和平團隊、中國航天員科研訓練中心李英賢團隊、北京航空航天大學馮麗爽團隊聯(lián)合相關企業(yè)及院所，組建了空間站雙光子顯微鏡項目團隊，由程和平擔任總負責人。
“中國要發(fā)展載人航天、要研究生命科學，太空是一個難得的實驗室。在失重環(huán)境下，人體細胞是如何完成新陳代謝的，大腦的神經元又將發(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、分析航天員的細胞結構和代謝成分信息?！背毯推秸f。
2022年9月，空間站雙光子顯微鏡研制成功。當年11月12日，空間站雙光子顯微鏡搭乘天舟五號貨運飛船成功運抵中國空間站，成為世界首臺進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。坐在中國航天員科研訓練中心看到航天員操作畫面?zhèn)骰?，程和平松了一口氣：“終于成功了?！?/p>
消息傳來，整個團隊沸騰了?！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不已。
鮮為人知的是，為了達到航天應用的標準，顯微鏡經歷了一次次蛻變。
精密的顯微鏡，要能承受飛船發(fā)射時的劇烈振動，這要求它足夠抗振?！白畛酰す馄鞯暮诵牟考徽竦梅鬯??！北本┐髮W未來技術學院助理研究員王俊杰記得，為了讓顯微鏡“強健筋骨”，他們將激光器的核心部件設計為固態(tài)結構，以增強激光器的機械強度，同時在激光器外部增加了減震裝置，相當于給其上了一層保險。
超維景的團隊也參與進來。超維景超快激光事業(yè)部經理陳燕川介紹，他們將激光器核心部件置于-40℃至80℃的溫度下循環(huán)試驗，使部件在短期內反復承受極端高低溫變化應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，團隊還制作多組關鍵部件樣品，進行加量級、破壞性的振動沖擊試驗，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，團隊實現了多項突破：首次在軌驗證實驗實現了世界上首次雙光子顯微鏡在軌正常運行，國內首次實現飛秒激光器在軌正常運行，國際上首次在軌、在體觀測航天員細胞結構和代謝成分信息。
一個夢想的啟航
從突破理論研究瓶頸，到試水產業(yè)藍海，再到支撐國家重大戰(zhàn)略需求，程和平團隊將科技創(chuàng)新的底色寫在從技術創(chuàng)新到產業(yè)應用的躍遷中。如今，一個更宏大的構想正在漸次舒展。
在南京江北新區(qū)，成立近4年的北大分子醫(yī)學南京轉化研究院（以下簡稱轉化院），已搭建起高端腦成像的公共技術服務平臺“南京腦觀象臺”。后者可以提供微型化雙光子顯微鏡、超靈敏結構光超分辨顯微鏡及高速三維掃描熒光成像系統(tǒng)等設備，幫助科研團隊獲得從大腦突觸、神經元集群、神經環(huán)路，再到全腦水平的全景式腦功能成像。
科研團隊的身后，還有一群人與他們并肩作戰(zhàn)。
幾乎每天，實驗員陳雪莉都要為小鼠注入觀測所需的熒光蛋白，對小鼠進行行為訓練。
當她為小鼠戴上顯微鏡探頭后，一旁的屏幕上會立即呈現出小鼠大腦的鈣活動影像。
“腦觀象臺有一支技術團隊。對于遴選通過的研究項目，技術團隊會與科研團隊一起制訂實驗計劃，為學者們制備、訓練小鼠，采集小鼠的腦活動成像數據，再將小鼠的行為學數據和腦活動數據匹配，供科研人員分析小鼠在表現出某種行為時，大腦發(fā)生了什么變化?！鞭D化院副院長趙婷解釋，腦觀象臺希望將學者們從繁瑣高難的實驗技術細節(jié)中解放出來，加速從理論設想到實驗發(fā)現的進程。
憑借南京腦觀象臺成像技術的支持，科學家們已經開始收獲驚喜、成果迭出：小鼠有喜新厭舊的行為，而孤獨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，神經元異常放電……
趙婷介紹，如今，腦觀象臺已經服務了100多家單位的180余個課題組，開機時間累計超過2萬小時。腦觀象臺與江北新區(qū)聯(lián)合發(fā)起的兩期“探索計劃”，也已累計支持48項課題研究。
十年春華秋實。一顆在未名湖畔種下的種子，如今正在千里之外的揚子江畔落地生根、開枝散葉，蔭澤全國的腦科學、神經科學等領域的研究。
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，理想照進現實，中國腦科學研究風華正茂。
