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程和平院士:2.2克微型双光子显微镜及其在脑科学中的应用
2019-05-28 中国教育和澳门美高梅娱乐唯一官网计算机网 张伟静

  5月26日,作为中国高等教育博览会(2019-春)的主旨论坛之一,由中国高等教育学会实验室管理工作分会、福建工程学院、国药励展展览有限责任公司承办的第二届高校实验室建设与发展论坛顺利召开。中国高等教育学会会长、教育部原党组书记、副部长杜玉波,教育部高等教育司副司长徐青森,中国科学院院士、教育部长江特聘教授、北京大学教授、中国高等教育学会实验室管理工作分会理事长程和平,南京大学教授、中国科学院院士、美国化学会会士陈洪渊等专家出席会议。

  中国科学院院士、教育部长江特聘教授、北京大学教授、中国高等教育学会实验室管理工作分会理事长程和平

  会上,程和平院士做了题为《2.2克微型双光子显微镜及其在脑科学中的应用》专题演讲。以下为演讲内容:

  大家好!我今天给大家带来的报告是我们北京大学一个跨学科团队研发的一款微型化新型显微镜--2.2克微型双光子显微镜, 它可以帮助我们洞悉大脑活动的奥秘。

  一、生物医学成像技术的发展趋势

  在生命科学和医学研究中,成像技术至关重要,它是推动生命科学进步的核心动力,生物医学发展的历史大半部是成像技术的发展史。从上世纪至今,我们医学一些大的进步往往都伴随着成像技术的突破。上个世纪,人类陆续发现了包括X射线、全息照相法、CT计算机断层成像、电子显微等多种技术,这些技术都给人类带来了新的医疗手段和观察手段。但很可惜,这些没有中国人的发明。

  21世纪的生命科学是什么样的?它已经从“还原论”上升到了“整体论”,即在正常的生命条件下,能够实现在活的动物体内看到细胞和分子活动的过程,这就需要新的成像技术来完成这项工作。

  进入新千年,脑科学研究成为热点,因为脑是世界上最复杂,最神秘的物质。人类1400克的大脑,其实也如同一个小小的宇宙,它包含百亿数量级的神经元和百万亿数量级的神经突触。正是其结构和功能上极其复杂而精密的连接,源源不断地涌现着人类的智慧和意识,而智慧和意识的本质是什么?这是人类的“终极科学问题”。

  二、活体成像的利器“双光子显微镜”

  观测脑的活动,解析脑的原理,成像技术非常重要。

  1931年,M?Goeppert Mayer提出了双光子吸收跃迁的基本原理,即荧光分子同时吸收2个长波长光子,跃迁至激发态,其效果与吸收单光子(波长为长波长一半)相同。1960年,激光器的发明使得双光子效应被验证和应用。1990年,Denk,Webb发明了第一台双光子显微镜。1992年,我很有幸使用世界上第二台双光子显微镜,首次实现了双光子心肌线粒体成像。在脑科学研究中,双光子显微镜是高端实验室必备的工具,当然其它前沿尖端的工具也是要必备的。如今,双光子荧光显微镜成为最重要的显微镜成像技术。

  与单光子显微镜相比,双光子显微镜有很多优势。

  首先,看得准。单光子成像时用显微镜看不到断层,光锥路径内皆有荧光,使得整个细胞看起来模模糊糊;而双光子成像时仅在焦点处有荧光,产生的光学断层效应可以有效提高成像的纵向分辨率,可以很好地观察断层。

  其次,看得深。双光子成像用的波长比较长,具备更高的组织穿透性,所看到的深度是单光子成像的10倍以上。

  最后,光损伤小。双光子成像以可见光或近红外光作为激发光源,对活体细胞和组织光损伤小,适用于长时程研究。

  虽然双光子显微镜有如上诸多优点,但是,双光子成像需要非常高质量的飞秒量级的激光脉冲,这样才可以看到激光器产生飞秒量级的脉冲成像。同时,双光子显微镜整个系统是非常笨重的,存在看活体不准、扫描速度慢、体积庞大无法便携化等缺点。为此,我们的想法是如何让这种脑成像利器用在动物上,创造出一种新的显微镜,佩戴在小动物头部颅窗上,进而看到它的思维。

  三、2.2克微型双光子显微镜成功攻关

  2013年,国家自然科学基金委员会启动了国家重大澳门美高梅娱乐唯一官网仪器研制项目。在基金委有关领导的鼓励下,我们申请了微型化高分辨率双光子显微镜项目,经过同行专家评审、学部咨询委员会评审、专家委员会答辩评审和专家现场考察等程序,获得了7200万元人民币的支持。我们组建的跨学科团队提出了超高时空分辨微型化双光子在体成像系统,项目从2014年1月开始攻关,于2018年12月完成,后天就要正式验收了。

  我们跨学科团队实现了双光子显微镜核心部件的微型化,将原本几百公斤笨重的仪器压缩成几十公斤的组合体,成了可以“提着跑”的系统,同时它的核心部件要压到15克以下,可以“戴着跑”,可以看大脑,可以看血管,可以看单细胞甚至亚细胞的结构。

  经过不懈努力,到2017年我们终于做成了这样一个系统,它的核心部件只有大拇指大小,仅重2.2克,成为可被自由活动的小鼠戴在头上的观测利器。它可以实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号,利用行为与其视觉神经突触活动之间的联系,能够看见小鼠的思考和决策过程,比如,小鼠悬尾过程中的视觉神经活动、不同小鼠交流过程中的视觉神经活动等。如果小鼠有什么疾病,也可以看到视觉神经活动的变化情况。

  该显微镜采用双轴对称高速微机电系统转镜扫描技术,具备多区域随机扫描和每秒1万线的线扫描能力,首次采用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(如GCaMP6)技术,解决了动物的活动和行为由于荧光传输光缆拖拽所干扰的难题。跟世界前十多年的显微镜相比,我们整体性能最优,远优于目前该领域内主导的、美国脑科学计划研发的微型化宽场显微镜。我们这项工作入选2017度中国科学十大进展、2018 Nature Methods年度方法。

  这个是第一代微型双光子显微镜发表的技术。

  四、“第二代微型双光子显微镜”技术澳门美高梅在线官网

  接下来,跟大家分享的是我们正在做的工作,也就是第二代微型双光子显微镜,有五方面的技术澳门美高梅在线官网。

  第一,大视场微型化双光子。对于脑科学家来讲,实时记录动物大脑数十个神经元、上千个神经突触的动态信号还不够,而是要看到上千个神经元。

  第二,三维成像微型化双光子,也就是可以要看到动物大脑三维神经元,看到小脑、大脑的神经元。

  第三,光遗传微型化双光子。双光子还有一个好处就是不仅能够成像,还可以结合其它的光遗传技术,如结合GRIN镜头观察脑深层神经元,进而控制这个神经元兴奋或者不兴奋,并且可以抑制它。双光子光遗传学,可以进行精准单细胞刺激与激活,之前的单光子光遗传学,只是进行区域刺激与激活。

  第四,多色微型化双光子,即能不能同时看到两个不同的神经元,把这两个不同的神经元分别用红色和绿色来标记,进而看到两者之间的交互。

  第五,多探头/多区域微型化双光子。对于大鼠或者体型更大的实验动物,我们还可以对一个个体进行多探头的观测,可以对不同脑区之间的远距离相互作用进行研究。

  五、微型双光子整机工程化与扩展应用

  我刚刚讲的是把我们的澳门美高梅在线官网想法变成了一个原型机,但原型机只能在实验室使用,还需要把它变成通用化的产品,即我们已完成的“便携式多模态双光子显微镜整机”。

  生命科学是一门极其复杂、极富挑战的科学,是一样可以做出重大科学发现的一个领域。在自然科学领域,最难研究的,除了极微和极大,就是极复杂,它有像银河星系一样多的神经元。如果只是通过一台一台显微镜去看,不知要看到何年何月。为此,我们提出了一个观点,就是要建立一个百台规模的高通量平台,一年的工作量仅用一周甚至几天就可以完成。我们已经和南京江北新区建立了合作,建立了“南京脑观象台”。

  “南京脑观象台”有三方面的特色:一是改变手工作坊式的澳门美高梅娱乐唯一官网方式,有标准化、流程化分解技术流程;二是降低功能成像的“准入门槛”,集成最先进的成像装备,节约“设想”到“验证”的时间;三是改变功能成像的研究方式,有高通量、工程化的实验设计,可以回答“大科学”问题。

  该显微镜应用领域广阔,可以把它拓展成微型化双光子手持显微镜和微型化双光子内窥式显微镜,这也是我们团队在下一步要致力于完成的工作。

  首先,拓展成微型化双光子手持显微镜。手术中要知道切除的究竟是不是肿瘤,外科医生只能用眼睛看,凭借触觉和术前核磁成像,有时会相当主观。而借助于微型化双光子手持式显微镜,可以让医生在手术时也能看到细胞水平,帮他们决定该在哪里果断下刀,在哪里刀下留情。

  其次,拓展成微型化双光子内窥式显微镜。可以更清楚的看见肿瘤的发生和转移。此外,还可以变成腔镜在医学上进行运用。

  最后我表达一个观点,我们这个研发团队大部分是年轻人,我们不仅要澳门美高梅在线官网研究仪器,也要在澳门美高梅在线官网研究仪器当中培养一代新人。希望我们在座的大学生、高中生、中学生甚至小学生,能够用自己澳门美高梅在线官网的工具来回答最前沿的科学问题。希望大家特别是我们的学子能够立志于做澳门美高梅在线官网的仪器和研究,做出让我们感到自豪的科学发现!

  谢谢大家!

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