科研人员正开展实验

科研人员正在工作

微型双光子荧光显微镜与手指的大小对比

前不久，北京大学多个院系研究所联合军事医学科学院组成跨学科团队，历时三年成功研制出新一代高速高分辨微型化双光子荧光显微镜，它的重量仅2.2克，成像质量远超美国脑科学团队研发的微型化宽场显微镜。脑科学研究有了新的利器。

学者当工匠研制科研“利器”

北大分子医学研究所教授陈良怡是研发团队的核心成员之一。他告诉记者，他们研发这套显微镜其实有些“不务正业”。团队的学术带头人、中国科学院院士程和平主要从事心血管疾病基础机制的研究，陈良怡从事的是胰岛素释放机制的研究。

那为何学者最后当起了尖端设备的“工匠”呢？陈良怡指了指身边实验桌上的一架显微镜，“这是一架看实验切片的普通显微镜，需要双手用力才能搬走。而做生命科学研究的高端双光子显微镜，体积、重量是它的十几倍。”陈良怡说，他们在研究中深感不便，“生物学实验，经常要用显微镜来观察活蹦乱跳的小动物，几十上百斤的设备，灵活性太差了。”当然，无法回避的还有价格，一台穿透能力强、显像清晰的高端双光子显微镜，价格高达三四百万人民币。

“为什么我们不自己来研发一套高分辨率的双光子荧光显微镜？”程和平提出了建议。北大的王爱民教授是光纤激光器的顶级专家，谢晓亮教授和孙育杰教授带领着一支生物动态光学成像的优秀团队，“北大人才济济，我觉得只要大家联合起来，肯定能做出来。”

2012年，国家发布了“重大仪器装备研发专项”。这支由多学科专家组成的团队历经两次申报，终于在2014年获批。“虽然是外行，但我们的研发起点定的很高，要做超高时空分辨，同时又是微型化的双光子显微成像系统。”陈良怡说。

每次出国都会挤出时间拜师

很多人听到双光子显微镜会觉得陌生，通常大家看到的光学显微镜都采用了基本的光学反射成像——打出一束光源，照射在观察物体的表面，然后反射穿过透镜，被人眼捕获。双光子显微镜的“威力”在于它能够在10万亿分之一秒的时间内发出两束激光，几乎同时到达一个荧光分子让它吸收能量进入到激发的状态，从而发出荧光。双光子显微成像深度更深，又有三维层切能力，可以得到深处的立体影像。“双光子显微镜和普通显微镜相比，就像高端单反相机与普通傻瓜相机的差别，可以看得更快、更清楚。”

目标定的高，姿态放得低。确立了研发目标后，他们第一件事就是搜索了全世界双光子荧光显微镜研发实力最强的10个实验室，逐一发电子邮件，希望能前往拜访学习交流。每一次出国参加国际会议，他们都挤出时间，四处拜师，“我们发现美国的科学家团队比较开放，愿意分享他们的研究成果；而欧洲的科学家团队则相对偏向保守。”

在国内，各项研究攻关也在加班加点，团队里的研究生在项目的研发中起到了关键作用。比如宗伟健博士仔细调研阅读了所有的相关文献，多次尝试不同的光学设计，优化整体微型化显微镜的性能，对于最后超越国际竞争对手起到关键作用；吴润龙博士负责编写控制电路的软件设计；李明立博士则扮演“饲养员”的角色——训练用于测试镜头的小鼠，开展测试并整理结果数据。在实验室里，安放着不少沙发、行军床，“累了，就直接在这休息，醒来继续干。”一位博士生告诉记者。

研发微型双光子荧光显微镜，发射激光长波的柔性光子晶体光纤非常关键，国内没有成熟的产品，他们就去国外四处寻找、定制。在王爱民的努力下，团队终于找到了合格的产品。令团队欣喜的是，经过努力，宗伟健博士在国内也找到了高品质的显微镜镜头生产商，“主流的德国产品，观察深度200微米，视野场是130微米乘以130微米。我们找到的国内产品，深度可达380微米，视野场达180微米乘以180微米，看得更宽、更深。”陈良怡说，这让他们愈发感受到“中国制造”、“中国创造”的巨大进步。

将来还可用于皮肤美容

从2014年开始全面研发，到2016年10月获得成熟的显微镜样品和论文，团队三年里付出了无数个攻坚克难的日夜，共有来自北大、北航、中科院、军事医学科学院等多个院系所的20多位研究人员、40多位研究生参与其中。每周六，大家从各自单位聚集到分子医学研究所，充分交流、集思广益，头脑风暴。

在实验室，记者见到了这枚微型显微镜的样品。装在透明袋中的它可以轻松放在指尖肚上，“体积不到1立方厘米，重2.2克。”陈良怡说，别看它小，功能可十分强大，显微镜的横向分辨率达到0.65微米，成像质量可以跟商品化大型台式双光子荧光显微镜媲美，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。此外显微镜的成像速度可达每秒40帧，“我们看的普通电影是每秒24帧，这意味着显微镜下的画面比电影还要流畅。”陈良怡说。

实验中，显微镜成功获取了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。在视频中，实验的小鼠分别被吊起来、放在高台上、与其他小鼠群居，它的头部就佩戴了这枚微小的显微镜。传回的影像显示，不同状态，小鼠神经活动的区域各不相同，当它被吊起来时，由于特别紧张，小鼠的某一段神经元和神经突触高度活跃。利用这样的显微镜，将来还可以研究小鼠进行学习和记忆时神经突触的形状和功能发生的变化。

双光子荧光微型显微镜可用于在动物觅食、哺乳、打斗、嬉戏、睡眠等自然行为条件下，长时间观察神经突触、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。陈良怡说，这种显微镜将来还有望在临床上帮助进一步了解人类大脑活动的变化，小尺寸、高精度的显微镜可以帮助医生在脑部外科手术过程中实时观察脑神经的活动。

他们正在研发的小型激光器，体积由传统的电脑服务器大小缩小到了如一本现代汉语词典。所有设备加在一起，一台医院护士用的手推车就能轻松推走，非常方便。微型双光子荧光显微镜的镜头直径只有2.3毫米，将来可以做成针尖式的内窥镜，进入人体，动态精准掌握肿瘤细胞与正常细胞的边界层，开展精准治疗。

更神奇的是，这种显微镜还能用于女士们热衷的皮肤美容。利用它立体成像、看得更深的特点，掌握各层皮肤细胞的衰老程度，从而决定皮肤是否需要护理，需要何种护理。“或许在未来，我们在家手持设备扫一扫，就能了解自己皮肤的情况，就不容易被一些商家随意忽悠了。”陈良怡笑道。

来源：北京晚报 记者 张航 文并摄