尹穎堯

在北京大學王克楨樓214室里，吳博士開始實驗。他坐在電腦前，一根紅色傳輸線與電腦相連，線的末端是一個直徑1厘米的正方板，板上有一個不注意根本看不見的小點，這個小點就是直徑僅0.4毫米的顯微鏡。電腦左側(cè)有一個工作臺，吳博士把顯微鏡戴在實驗鼠的頭上，再把實驗鼠放置在工作臺上的箱子中，這樣就可以收集自由運動狀態(tài)下實驗鼠的神經(jīng)元信號。實驗大約持續(xù)半小時到一小時。然后取下顯微鏡，把實驗鼠放回飼養(yǎng)籠中。

吳潤龍的導(dǎo)師陳良怡教授告訴記者，這是世界上最小最輕的高分辨率雙光子熒光顯微鏡。

“清”且“輕”

目前，患者在醫(yī)院做透視檢查，常用的有B超、CT和核磁共振（MRI）等，其中分辨率和清晰度最高的是核磁共振（MRI），但它仍是相當“模糊”的，比如患者拍了一張腦部的MRI片子，成像的片子由無數(shù)個0.2毫米*0.2毫米像素組成，每個像素則代表了80000個神經(jīng)細胞的情況。從片子上遠遠無法看清單個神經(jīng)細胞，不能得到單個神經(jīng)細胞的活動信息。好在核磁共振視野廣，能拍攝整個腦部，能“模糊”地顯示患者的病灶是在哪個區(qū)域。

而吳潤龍博士使用的這個雙光子熒光顯微鏡卻不尋常，它是其所在的程和平院士帶領(lǐng)的多學科交叉研發(fā)團隊研制的，“它能看到每一個神經(jīng)細胞的情況，”陳良怡教授說，“它還能看清神經(jīng)細胞間的能量轉(zhuǎn)換?！眱蓚€神經(jīng)細胞間的接觸點，被稱為“突觸”，能量通過“突觸”實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，這在雙光子熒光顯微鏡下一覽無余。

北大這款顯微鏡只有2.2克，這樣讓實驗鼠戴上后沒什么感覺，可自由活動，實現(xiàn)了“無限制行為動物成像（Imaging in freely behaving animals）”。

如果說這款雙光子熒光顯微鏡有什么缺點，那就是視野窄，這與它的分辨率太高有關(guān)系，一般說分辨率越高，視野越窄。戴上它，只能看到腦部的極小一塊區(qū)域，“大概一千多個神經(jīng)元”，陳教授介紹。

這樣，如果能夠?qū)⒑舜殴舱衽c雙光子熒光顯微鏡各自的優(yōu)勢進行互補，就有可能精準定位病灶。比如當患者前往醫(yī)院就診，先進行核磁共振的檢測，一旦發(fā)現(xiàn)某個腦部某個區(qū)域有問題，再用雙光子熒光顯微鏡在該區(qū)域深入檢查，精準找到病源。這是國家十三五生物醫(yī)學成像大設(shè)施中的一個研究方向，也是陳教授的研究重點。

北京大學的這款雙光子熒光顯微鏡圖像分辨率高，而且非常輕。神經(jīng)科學家曾普遍認為，15克重是雙光子熒光顯微鏡可以達到的，做得更輕非常困難。但實驗鼠的體重一般只有二十幾克，要是佩戴15克重的顯微鏡，“好比體重150斤的人背著120斤重的包袱”，行動不便，實驗就得不到它正常生理狀態(tài)下的信息。而北大這款顯微鏡只有2.2克，這樣讓實驗鼠戴上后沒什么感覺，可自由活動，實現(xiàn)了“無限制行為動物成像（Imaging in freely behaving animals）”。

“為神經(jīng)科學研究打開了一扇門”

“無限制行為動物成像技術(shù)，為神經(jīng)科學打開了一扇門，開啟了在自然行為狀態(tài)下的研究?！标惲尖淌谧院赖卣f。

無論實驗鼠是覓食、哺乳，還是打斗、嬉戲、睡眠，觀察它的腦細胞活動狀況，這款顯微鏡都能大顯身手。陳良怡教授和浙江大學胡海嵐教授的團隊正在合作，研究實驗鼠的攻擊性行為。研究人員把兩只實驗鼠放在類似于橋的狹窄通道的兩端，當它們在“橋”上相遇時，一般會有一只實驗鼠往前沖，展現(xiàn)攻擊性，另一只實驗鼠往后退縮，這款顯微鏡可以區(qū)分它們同一腦區(qū)的神經(jīng)元瞬間活動信息，“看得見”大腦學習、記憶、決策、思維的過程，“以前是沒辦法研究的，現(xiàn)在可以了”，陳良怡教授說，“開拓了新的研究范式?！?/p>

挪威科學家夫婦梅-布里特·莫澤（May-Britt Moser）和愛德華·莫澤（Edvard I.Moser）因在“大腦定位系統(tǒng)細胞（Grid Cells）”上的杰出研究，獲得2014年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。大腦定位系統(tǒng)類似于大腦GPS，莫澤夫婦在老鼠的大腦里發(fā)現(xiàn)了這樣的細胞，但在之前的研究中，得到的都是二維平面信息。與北京大學合作，使用這款顯微鏡后，可以得到三維成像，從而解析組成大腦GPS的神經(jīng)元的三維分布結(jié)構(gòu)。

馬克斯-普朗克研究所是研究鳥類的世界頂尖研究機構(gòu)，它的一項研究是雄鳥如何用歌聲吸引雌鳥。研究者們發(fā)現(xiàn)，雄鳥成年后，會有一只年長的雄鳥教它唱歌。即便沒有“老師”，受青春期的雄激素影響，雄鳥也會自己唱。研究者們發(fā)現(xiàn)，一旦人為地把雄激素降下來，雄鳥就不唱了;一旦人為地增加雄激素，雄鳥就要多唱幾首歌。然而馬普所的研究者們并不清楚，人為地增強或減少雄激素，雄鳥腦部對應(yīng)的神經(jīng)元發(fā)生的變化。與北京大學合作后，這個問題慢慢地迎刃而解?！斑@項研究的對象雖然是鳥類，但對定量化的理解人類的學習語言也有幫助?！标惲尖淌谡f。

巨大的應(yīng)用需求

《自然方法（Nature Methods）》，是一本生物研究方法類權(quán)威期刊，它每年都會評選年度技術(shù)，其中不少獲選的年度技術(shù)日后獲得諾貝爾獎，被生物學界稱為諾貝爾獎風向標。2018年度技術(shù)正是無限制行為動物成像技術(shù)，其代表科研就是北京大學的這款顯微鏡，入選理由是此項技術(shù)“威力”無比，將對神經(jīng)科學全面產(chǎn)生影響。

這款顯微鏡是在程和平院士的帶領(lǐng)下，由北京大學分子醫(yī)學研究所、生命科學學院、工學院和軍事醫(yī)學科學院等組成跨學科團隊，運用微集成、微光學、超快光纖激光和半導(dǎo)體光電學等技術(shù)，歷經(jīng)三年多協(xié)同完成的。比如陳良怡的團隊的工作是設(shè)計微型化顯微鏡的光路，組裝和優(yōu)化各個器件，以達到光學上最佳效果。程和平院士表示，下一步將會把這個獨一無二的工具運用到腦科學研究中，建立專業(yè)化、流水化的隊伍，回答一些小實驗室解決不了的大科學問題。

研發(fā)團隊創(chuàng)辦了公司，滿足市場對這款顯微鏡的巨大需求?！安还苁强蒲羞€是醫(yī)療等行業(yè)，需求都很大，”陳良怡教授介紹，“比如它與臨床內(nèi)窺結(jié)合的市場價值就非常大?！痹谀[瘤切除手術(shù)時，這款顯微鏡可以放入身體內(nèi)，幫助醫(yī)生準確地找到腫瘤病源，精準下刀。此外，它在可視化研究自閉癥、阿爾茨海默病、癲癇等腦疾病的神經(jīng)機制中都能發(fā)揮重要作用。