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程和平院士:2.2克微型雙光子顯微鏡及其在腦科學中的應用
2019-05-28 中國教育和科研計算機網 張偉靜

  5月26日,作為中國高等教育博覽會(2019-春)的主旨論壇之一,由中國高等教育學會實驗室管理工作分會、福建工程學院、國藥勵展展覽有限責任公司承辦的第二屆高校實驗室建設與發展論壇順利召開。中國高等教育學會會長、教育部原黨組書記、副部長杜玉波,教育部高等教育司副司長徐青森,中國科學院院士、教育部長江特聘教授、北京大學教授、中國高等教育學會實驗室管理工作分會理事長程和平,南京大學教授、中國科學院院士、美國化學會會士陳洪淵等專家出席會議。

  中國科學院院士、教育部長江特聘教授、北京大學教授、中國高等教育學會實驗室管理工作分會理事長程和平

  會上,程和平院士做了題為《2.2克微型雙光子顯微鏡及其在腦科學中的應用》專題演講。以下為演講內容:

  大家好!我今天給大家帶來的報告是我們北京大學一個跨學科團隊研發的一款微型化新型顯微鏡--2.2克微型雙光子顯微鏡, 它可以幫助我們洞悉大腦活動的奧秘。

  一、生物醫學成像技術的發展趨勢

  在生命科學和醫學研究中,成像技術至關重要,它是推動生命科學進步的核心動力,生物醫學發展的歷史大半部是成像技術的發展史。從上世紀至今,我們醫學一些大的進步往往都伴隨著成像技術的突破。上個世紀,人類陸續發現了包括X射線、全息照相法、CT計算機斷層成像、電子顯微等多種技術,這些技術都給人類帶來了新的醫療手段和觀察手段。但很可惜,這些沒有中國人的發明。

  21世紀的生命科學是什么樣的?它已經從“還原論”上升到了“整體論”,即在正常的生命條件下,能夠實現在活的動物體內看到細胞和分子活動的過程,這就需要新的成像技術來完成這項工作。

  進入新千年,腦科學研究成為熱點,因為腦是世界上最復雜,最神秘的物質。人類1400克的大腦,其實也如同一個小小的宇宙,它包含百億數量級的神經元和百萬億數量級的神經突觸。正是其結構和功能上極其復雜而精密的連接,源源不斷地涌現著人類的智慧和意識,而智慧和意識的本質是什么?這是人類的“終極科學問題”。

  二、活體成像的利器“雙光子顯微鏡”

  觀測腦的活動,解析腦的原理,成像技術非常重要。

  1931年,M?Goeppert Mayer提出了雙光子吸收躍遷的基本原理,即熒光分子同時吸收2個長波長光子,躍遷至激發態,其效果與吸收單光子(波長為長波長一半)相同。1960年,激光器的發明使得雙光子效應被驗證和應用。1990年,Denk,Webb發明了第一臺雙光子顯微鏡。1992年,我很有幸使用世界上第二臺雙光子顯微鏡,首次實現了雙光子心肌線粒體成像。在腦科學研究中,雙光子顯微鏡是高端實驗室必備的工具,當然其它前沿尖端的工具也是要必備的。如今,雙光子熒光顯微鏡成為最重要的顯微鏡成像技術。

  與單光子顯微鏡相比,雙光子顯微鏡有很多優勢。

  首先,看得準。單光子成像時用顯微鏡看不到斷層,光錐路徑內皆有熒光,使得整個細胞看起來模模糊糊;而雙光子成像時僅在焦點處有熒光,產生的光學斷層效應可以有效提高成像的縱向分辨率,可以很好地觀察斷層。

  其次,看得深。雙光子成像用的波長比較長,具備更高的組織穿透性,所看到的深度是單光子成像的10倍以上。

  最后,光損傷小。雙光子成像以可見光或近紅外光作為激發光源,對活體細胞和組織光損傷小,適用于長時程研究。

  雖然雙光子顯微鏡有如上諸多優點,但是,雙光子成像需要非常高質量的飛秒量級的激光脈沖,這樣才可以看到激光器產生飛秒量級的脈沖成像。同時,雙光子顯微鏡整個系統是非常笨重的,存在看活體不準、掃描速度慢、體積龐大無法便攜化等缺點。為此,我們的想法是如何讓這種腦成像利器用在動物上,創造出一種新的顯微鏡,佩戴在小動物頭部顱窗上,進而看到它的思維。

  三、2.2克微型雙光子顯微鏡成功攻關

  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。在基金委有關領導的鼓勵下,我們申請了微型化高分辨率雙光子顯微鏡項目,經過同行專家評審、學部咨詢委員會評審、專家委員會答辯評審和專家現場考察等程序,獲得了7200萬元人民幣的支持。我們組建的跨學科團隊提出了超高時空分辨微型化雙光子在體成像系統,項目從2014年1月開始攻關,于2018年12月完成,后天就要正式驗收了。

  我們跨學科團隊實現了雙光子顯微鏡核心部件的微型化,將原本幾百公斤笨重的儀器壓縮成幾十公斤的組合體,成了可以“提著跑”的系統,同時它的核心部件要壓到15克以下,可以“戴著跑”,可以看大腦,可以看血管,可以看單細胞甚至亞細胞的結構。

  經過不懈努力,到2017年我們終于做成了這樣一個系統,它的核心部件只有大拇指大小,僅重2.2克,成為可被自由活動的小鼠戴在頭上的觀測利器。它可以實時記錄數十個神經元、上千個神經突觸的動態信號,利用行為與其視覺神經突觸活動之間的聯系,能夠看見小鼠的思考和決策過程,比如,小鼠懸尾過程中的視覺神經活動、不同小鼠交流過程中的視覺神經活動等。如果小鼠有什么疾病,也可以看到視覺神經活動的變化情況。

  該顯微鏡采用雙軸對稱高速微機電系統轉鏡掃描技術,具備多區域隨機掃描和每秒1萬線的線掃描能力,首次采用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元活動的熒光探針(如GCaMP6)技術,解決了動物的活動和行為由于熒光傳輸光纜拖拽所干擾的難題。跟世界前十多年的顯微鏡相比,我們整體性能最優,遠優于目前該領域內主導的、美國腦科學計劃研發的微型化寬場顯微鏡。我們這項工作入選2017度中國科學十大進展、2018 Nature Methods年度方法。

  這個是第一代微型雙光子顯微鏡發表的技術。

  四、“第二代微型雙光子顯微鏡”技術創新

  接下來,跟大家分享的是我們正在做的工作,也就是第二代微型雙光子顯微鏡,有五方面的技術創新。

  第一,大視場微型化雙光子。對于腦科學家來講,實時記錄動物大腦數十個神經元、上千個神經突觸的動態信號還不夠,而是要看到上千個神經元。

  第二,三維成像微型化雙光子,也就是可以要看到動物大腦三維神經元,看到小腦、大腦的神經元。

  第三,光遺傳微型化雙光子。雙光子還有一個好處就是不僅能夠成像,還可以結合其它的光遺傳技術,如結合GRIN鏡頭觀察腦深層神經元,進而控制這個神經元興奮或者不興奮,并且可以抑制它。雙光子光遺傳學,可以進行精準單細胞刺激與激活,之前的單光子光遺傳學,只是進行區域刺激與激活。

  第四,多色微型化雙光子,即能不能同時看到兩個不同的神經元,把這兩個不同的神經元分別用紅色和綠色來標記,進而看到兩者之間的交互。

  第五,多探頭/多區域微型化雙光子。對于大鼠或者體型更大的實驗動物,我們還可以對一個個體進行多探頭的觀測,可以對不同腦區之間的遠距離相互作用進行研究。

  五、微型雙光子整機工程化與擴展應用

  我剛剛講的是把我們的創新想法變成了一個原型機,但原型機只能在實驗室使用,還需要把它變成通用化的產品,即我們已完成的“便攜式多模態雙光子顯微鏡整機”。

  生命科學是一門極其復雜、極富挑戰的科學,是一樣可以做出重大科學發現的一個領域。在自然科學領域,最難研究的,除了極微和極大,就是極復雜,它有像銀河星系一樣多的神經元。如果只是通過一臺一臺顯微鏡去看,不知要看到何年何月。為此,我們提出了一個觀點,就是要建立一個百臺規模的高通量平臺,一年的工作量僅用一周甚至幾天就可以完成。我們已經和南京江北新區建立了合作,建立了“南京腦觀象臺”。

  “南京腦觀象臺”有三方面的特色:一是改變手工作坊式的科研方式,有標準化、流程化分解技術流程;二是降低功能成像的“準入門檻”,集成最先進的成像裝備,節約“設想”到“驗證”的時間;三是改變功能成像的研究方式,有高通量、工程化的實驗設計,可以回答“大科學”問題。

  該顯微鏡應用領域廣闊,可以把它拓展成微型化雙光子手持顯微鏡和微型化雙光子內窺式顯微鏡,這也是我們團隊在下一步要致力于完成的工作。

  首先,拓展成微型化雙光子手持顯微鏡。手術中要知道切除的究竟是不是腫瘤,外科醫生只能用眼睛看,憑借觸覺和術前核磁成像,有時會相當主觀。而借助于微型化雙光子手持式顯微鏡,可以讓醫生在手術時也能看到細胞水平,幫他們決定該在哪里果斷下刀,在哪里刀下留情。

  其次,拓展成微型化雙光子內窺式顯微鏡。可以更清楚的看見腫瘤的發生和轉移。此外,還可以變成腔鏡在醫學上進行運用。

  最后我表達一個觀點,我們這個研發團隊大部分是年輕人,我們不僅要創新研究儀器,也要在創新研究儀器當中培養一代新人。希望我們在座的大學生、高中生、中學生甚至小學生,能夠用自己創新的工具來回答最前沿的科學問題。希望大家特別是我們的學子能夠立志于做創新的儀器和研究,做出讓我們感到自豪的科學發現!

  謝謝大家!

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