2.2克显微镜 看得清一个细胞

尹颖尧

在北京大学王克桢楼214室里，吴博士开始实验。他坐在电脑前，一根红色传输线与电脑相连，线的末端是一个直径1厘米的正方板，板上有一个不注意根本看不见的小点，这个小点就是直径仅0.4毫米的显微镜。电脑左侧有一个工作台，吴博士把显微镜戴在实验鼠的头上，再把实验鼠放置在工作台上的箱子中，这样就可以收集自由运动状态下实验鼠的神经元信号。实验大约持续半小时到一小时。然后取下显微镜，把实验鼠放回饲养笼中。

吴润龙的导师陈良怡教授告诉记者，这是世界上最小最轻的高分辨率双光子荧光显微镜。

“清”且“轻”

目前，患者在医院做透视检查，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），但它仍是相当“模糊”的，比如患者拍了一张脑部的MRI片子，成像的片子由无数个0.2毫米*0.2毫米像素组成，每个像素则代表了80000个神经细胞的情况。从片子上远远无法看清单个神经细胞，不能得到单个神经细胞的活动信息。好在核磁共振视野广，能拍摄整个脑部，能“模糊”地显示患者的病灶是在哪个区域。

而吴润龙博士使用的这个双光子荧光显微镜却不寻常，它是其所在的程和平院士带领的多学科交叉研发团队研制的，“它能看到每一个神经细胞的情况，”陈良怡教授说，“它还能看清神经细胞间的能量转换。”两个神经细胞间的接触点，被称为“突触”，能量通过“突触”实现转换，这在双光子荧光显微镜下一览无余。

北大这款显微镜只有2.2克，这样让实验鼠戴上后没什么感觉，可自由活动，实现了“无限制行为动物成像（Imaging in freely behaving animals）”。

如果说这款双光子荧光显微镜有什么缺点，那就是视野窄，这与它的分辨率太高有关系，一般说分辨率越高，视野越窄。戴上它，只能看到脑部的极小一块区域，“大概一千多个神经元”，陈教授介绍。

这样，如果能够将核磁共振与双光子荧光显微镜各自的优势进行互补，就有可能精准定位病灶。比如当患者前往医院就诊，先进行核磁共振的检测，一旦发现某个脑部某个区域有问题，再用双光子荧光显微镜在该区域深入检查，精准找到病源。这是国家十三五生物医学成像大设施中的一个研究方向，也是陈教授的研究重点。

北京大学的这款双光子荧光显微镜图像分辨率高，而且非常轻。神经科学家曾普遍认为，15克重是双光子荧光显微镜可以达到的，做得更轻非常困难。但实验鼠的体重一般只有二十几克，要是佩戴15克重的显微镜，“好比体重150斤的人背着120斤重的包袱”，行动不便，实验就得不到它正常生理状态下的信息。而北大这款显微镜只有2.2克，这样让实验鼠戴上后没什么感觉，可自由活动，实现了“无限制行为动物成像（Imaging in freely behaving animals）”。

“为神经科学研究打开了一扇门”

“无限制行为动物成像技术，为神经科学打开了一扇门，开启了在自然行为状态下的研究。”陈良怡教授自豪地说。

无论实验鼠是觅食、哺乳，还是打斗、嬉戏、睡眠，观察它的脑细胞活动状况，这款显微镜都能大显身手。陈良怡教授和浙江大学胡海岚教授的团队正在合作，研究实验鼠的攻击性行为。研究人员把两只实验鼠放在类似于桥的狭窄通道的两端，当它们在“桥”上相遇时，一般会有一只实验鼠往前冲，展现攻击性，另一只实验鼠往后退缩，这款显微镜可以区分它们同一脑区的神经元瞬间活动信息，“看得见”大脑学习、记忆、决策、思维的过程，“以前是没办法研究的，现在可以了”，陈良怡教授说，“开拓了新的研究范式。”

挪威科学家夫妇梅-布里特·莫泽（May-Britt Moser）和爱德华·莫泽（Edvard I.Moser）因在“大脑定位系统细胞（Grid Cells）”上的杰出研究，获得2014年诺贝尔生理学或医学奖。大脑定位系统类似于大脑GPS，莫泽夫妇在老鼠的大脑里发现了这样的细胞，但在之前的研究中，得到的都是二维平面信息。与北京大学合作，使用这款显微镜后，可以得到三维成像，从而解析组成大脑GPS的神经元的三维分布结构。

马克斯-普朗克研究所是研究鸟类的世界顶尖研究机构，它的一项研究是雄鸟如何用歌声吸引雌鸟。研究者们发现，雄鸟成年后，会有一只年长的雄鸟教它唱歌。即便没有“老师”，受青春期的雄激素影响，雄鸟也会自己唱。研究者们发现，一旦人为地把雄激素降下来，雄鸟就不唱了;一旦人为地增加雄激素，雄鸟就要多唱几首歌。然而马普所的研究者们并不清楚，人为地增强或减少雄激素，雄鸟脑部对应的神经元发生的变化。与北京大学合作后，这个问题慢慢地迎刃而解。“这项研究的对象虽然是鸟类，但对定量化的理解人类的学习语言也有帮助。”陈良怡教授说。

巨大的应用需求

《自然方法（Nature Methods）》，是一本生物研究方法类权威期刊，它每年都会评选年度技术，其中不少获选的年度技术日后获得诺贝尔奖，被生物学界称为诺贝尔奖风向标。2018年度技术正是无限制行為动物成像技术，其代表科研就是北京大学的这款显微镜，入选理由是此项技术“威力”无比，将对神经科学全面产生影响。

这款显微镜是在程和平院士的带领下，由北京大学分子医学研究所、生命科学学院、工学院和军事医学科学院等组成跨学科团队，运用微集成、微光学、超快光纤激光和半导体光电学等技术，历经三年多协同完成的。比如陈良怡的团队的工作是设计微型化显微镜的光路，组装和优化各个器件，以达到光学上最佳效果。程和平院士表示，下一步将会把这个独一无二的工具运用到脑科学研究中，建立专业化、流水化的队伍，回答一些小实验室解决不了的大科学问题。

研发团队创办了公司，满足市场对这款显微镜的巨大需求。“不管是科研还是医疗等行业，需求都很大，”陈良怡教授介绍，“比如它与临床内窥结合的市场价值就非常大。”在肿瘤切除手术时，这款显微镜可以放入身体内，帮助医生准确地找到肿瘤病源，精准下刀。此外，它在可视化研究自闭症、阿尔茨海默病、癫痫等脑疾病的神经机制中都能发挥重要作用。