探索生命科學“終極疆域”，微型化多光子顯微鏡照亮大腦

2023 年 2 月 23 日，北京大學程和平 - 王愛民團隊在 Nature Methods 在線發表題為《Miniature three-photon microscopy maximized for scattered fluorescence collection》 的文章。文中報道了重量僅為 2.17 克的微型化三光子顯微鏡，首次實現對自由行為小鼠的大腦全皮層和海馬神經元功能成像，為揭示大腦深部結構中的神經機製開啟了新的研究範式。

微型化三光子顯微鏡首次實現自由行為動物非侵入式深腦成像

海馬體位於皮層和胼胝體下麵，在短期記憶到長期記憶的鞏固、空間記憶和情緒編碼等方麵起重要作用。在齧齒類動物研究模型中，海馬距離腦表麵深度大於一個毫米。由於大腦組織特別是胼胝體，具有對光的高散射光學特性，所以突破成像深度極限是長期以來困擾神經科學家的一個極大的挑戰。此前的微型化單光子及微型化多光子顯微鏡均無法實現穿透全皮層直接對海馬區進行無損成像。

由於腦組織是高散射介質，來自腦深層的熒光信號達到表麵時已經隨機散射。台式三光子顯微鏡使用工作距離大於 2mm、數值孔徑 1.0 的大尺寸物鏡，在滿足深層成像工作距離要求的同時保持足夠的熒光信號收集效率。但在微型探頭中，如果物鏡工作距離為 2mm，使用大數值孔徑物鏡，探頭重量和體積就比較大，無法滿足自由行為小鼠對於探頭重量和體積的要求。

因此，解決這一問題的關鍵是在減小物鏡數值孔徑情況下，保持足夠的熒光收集效率。

此次微型化三光子顯微鏡的研發將經典阿貝聚光鏡結構引入探頭光學構型設計中，將微型阿貝聚光鏡與簡化的無限遠物鏡密接以提高散射熒光收集效率，同時在激發光路引入李斯特物鏡作為管鏡補償簡化物鏡的像差，並通過將阿貝聚光鏡與李斯特管鏡部分複用，實現探頭體積的減小。新微型化顯微鏡構型在工作距離 1.75mm、數值孔徑 0.65、物鏡直徑僅 3.4mm 時，實現了與台式三光子顯微鏡熒光收集效率相當的水平。

在全球，該微型化三光子顯微鏡首次實現了自由行為動物非侵入式深腦成像解決方案，可穿透小鼠大腦全皮層和胼胝體，實現對海馬 CA1 亞區的直接觀測記錄，避免植入式 Grin Lens 損傷腦組織。神經元鈣信號*大成像深度可達 1.2mm，血管成像深度可達 1.4mm。同時，微型化三光子顯微鏡實現全皮層鈣信號成像僅需幾毫瓦，海馬鈣信號成像僅需 20-50mw，大大低於組織損傷的安全閾值。

嶄露頭角—— 2.2 克微型化雙光子顯微鏡，實現自由行為小鼠腦成像

在多光子成像領域，這支來自北大的團隊已深耕多年。

2017 年，程和平院士領導的北大交叉團隊成功研製出**代 2.2 克微型化雙光子顯微鏡 FHIRM-TPM，在全球首次實現了自由運動小鼠單個樹突棘水平神經元功能活動的高速、高分辨率實時成像。該微型化雙光子顯微鏡可實時記錄自由行為動物的大腦神經元和樹突棘活動，支持鈣成像，並可在同一視野長時程反複成像。

此前，在用台式雙光子顯微鏡研究活體小鼠腦活動時，需先麻醉小鼠並將其頭部固定。這種情況下，小鼠不能自由運動，無法研究如打鬥、哺乳及社交行為，懸尾實驗、電擊實驗等研究受限。此外，台式雙光子顯微鏡不便移動且占用麵積較大。

隨著科技的發展，部分研究人員引入虛擬現實技術，在小鼠麵前放一個顯示器，並將小鼠放在跑步機上，在跑的過程中投放虛擬場景並觀察小鼠腦活動。但這種方法也飽受爭議。其一，在虛擬現實和現實情景中，小鼠大腦神經元的反應情況不一定完全相同；其二，動物在頭部固定的情況下會有情緒上的壓力，還可能出現應激反應。

據吳潤龍介紹，北大團隊的微型化雙光子顯微鏡主要有以下幾方麵突破，一是飛秒激光的柔性傳輸，普通的光纖在傳輸飛秒激光時具有很強的色散和非線性效應，導致雙光子激發效率變低，北大團隊開發了一種新型空心光子晶體光纖，可以無失真地傳輸 920nm 飛秒激光，從而高效地進行綠光熒光蛋白雙光子激發。

二是成像物鏡，傳統物鏡直徑在 20mm 左右，重量比一般小鼠還重，北大團隊開發的微型物鏡直徑為 3.5mm、長 10mm，內部有上十個鏡片組合，分辨率依然可以達到衍射極限；三是高速成像，為了減少運動帶來的偽影，需要快速地進行成像，北大團隊通過高速 MEMS 掃描振鏡，在微型化上實現了視頻級的成像速度。*後，各項技術的高質量集成，構成了 2.2g 的高時空分辨微型化雙光子探頭。

全球範圍內，這款 " 戴著跑 " 的微型化雙光子顯微鏡**次實現了自由行為動物的清晰穩定成像，可用於在動物覓食、跳台、打鬥、嬉戲、睡眠等自然行為條件下，或者在學習前、學習中和學習後，長時程觀察神經突觸、神經元、神經網絡、遠程連接的腦區等多尺度、多層次動態變化，從而獲取小鼠在自由行為過程中大腦神經元和神經突觸活動的動態圖像。

諾貝爾生物學或醫學獎獲得者愛德華 · 莫索爾（Edvard.I. Moser）博士曾稱這款顯微鏡是神經科學研究領域中的一個 " 革命性 " 新工具。

持續深耕——拓寬腦科學研究的邊界，應用場景不斷升級

2021 年，這支北大團隊推出了第二代微型化雙光子顯微鏡 FHIRM-TPM 2.0，將成像視野擴大了 7.8 倍，成像的橫向分辨率、軸向分辨率比**代顯微鏡高約 1.5 倍，同時具備獲取大腦皮層上千個神經元功能信號的三維成像能力。

除在核心性能上實現升級外，新一代微型化雙光子顯微鏡采用整機一體化設計，滿足更小空間實驗室的應用。同時具有較強的兼容性，內置激光適配模塊，可匹配市麵上所有品牌的飛秒激光器，以更強大的成像性能、更廣泛的適配性能及更便捷的操作性能為成像技術的發展帶來新的活力。

基於微型化雙光子顯微鏡，北大團隊與浙江大學的胡海嵐團隊、中科院孫衍剛團隊等開展合作。如孫衍剛團隊在研究癢覺感知神經機製，由於癢覺出現過程非常快、神經元發放也很快，而且不同比例的神經元在癢覺感知的不同階段出現，這要求成像設備不僅需要快速記錄單個神經元，還需具備高空間分辨率以區分兩類神經元。

此前，大腦皮層對癢覺感知的編碼機製的研究多在麻醉動物中進行，這種情況下動物無法通過抓撓行為報告對癢覺的感知。通過微型化雙光子顯微鏡，孫衍剛團隊在小鼠自由活動時實現了單細胞分辨率的鈣成像，為癢覺機製的研究提供了新的方案。

在應用場景上，北大團隊也一直在突破極限。2022 年，團隊攻克了航天極端環境機體應激與防護等多項技術難題，研製出空間站雙光子顯微鏡。據程和平院士此前的介紹：" 在軌實驗儀器設備對可靠性、體積、重量、抗衝擊和振動性能等有著更苛刻的要求，要想研製出能夠進入太空的雙光子顯微鏡並非易事。"

近日，神舟十五號的航天員使用其空間站雙光子顯微鏡，成功獲取皮膚表皮及真皮淺層的三維圖像，可用於航天員的在軌健康監測。

科研成果產業化的關鍵一步，

搭建可控的供應鏈

王愛民提出，由於綜合技術等原因，目前全球範圍內為數不多的課題組在研究微型化雙光子顯微鏡，隻有更多參與者加入，才能更快地推廣技術、做大產業。

創新技術的大規模推廣離不開產業化。以中國科學院院士及北京大學生物學、醫學、物理學和生理學等多學科專家為背景成立的北京超維景生物科技有限公司（以下簡稱 " 超維景 "）實現了科研成果的產業轉化。目前，超維景在北京、南京兩地的團隊人數已超 100 人，吸引了在生產、注冊、市場推廣等領域經驗豐富的產業人士加入。

從科研項目走向產業化，除了企業自身的技術積累、差異化產品創新、工藝流程控製外，可控的供應鏈是關鍵因素之一。

據王愛民回憶，曾經bsports官网登录做的**個 " 商業化試水 " 的項目是雙光子光片顯微鏡，其中的一個核心部件變焦透鏡隻有一家美國公司可以提供，在bsports官网登录做科研、小範圍應用時，可以正常買到，但當bsports官网登录決定產業化後，這家美國公司便不提供了，這也就直接導致項目 " 夭折 "。

在此後的產業化進程中，超維景選擇 " 自力更生 " 加 " 內外合力 " 的模式。一是自主研發逐步實現雙光子顯微鏡產品核心零部件國產化；二是聯合國內相關產業的參與者，由他們根據需求開發新技術。

目前，超維景已建立起可控的產業鏈，如飛秒激光器、空心光纖、微型化物鏡等都已實現國產化，為公司後續醫療產品線的發展打下堅實基礎，不僅在研發、生產等環節實現自主可控，還可大大降低生產成本。

兩條腿走路，

邁出科研設備的 " 舒適區 "

王愛民提出：" 中國腦科學起步較晚，市場不足美國的十分之一，但是 2021 年中國腦計劃正式啟動，預計 5 年 500 億的投入。" 同時，雙光子顯微成像應用於在體病理的研究和應用工作在全球也開展近 20 年，雙光子作為活體成像利器應用於臨床診斷研究也展示了應用潛力。超維景堅持科研設備、醫療器械兩條腿走路，力求實現從動物到人，更大程度地造福人體健康。

手持式皮膚生物細胞檢測儀是公司的首次 " 試水 "。該產品以微型化雙光子顯微成像技術為基礎，實現在體、原位、無創、無標記的微納米級顯微成像，細胞、彈性纖維、膠原纖維、代謝信息等清晰可見。

手持式皮膚生物細胞檢測儀主要有兩大應用市場。一是臨床的應用，在院內進行實時在體的檢測。目前院內疾病診斷的金標準是病理檢查，需從人體切下一小塊組織送檢，操作有創且需等待一段時間（一般是 3-5 天）才能得到檢查結果。而很多情況下臨床需要快速決策、定期監測，如黑色素瘤、皮膚癌等定期檢查。通過手持式皮膚生物細胞檢測儀，醫生可隨時監測細胞形態的變化，觀察患者病情變化，以調整治療計劃。

二是皮膚功效檢測的應用，超維景正在開展皮膚圖譜研究，可用於化妝品、醫美技術的評估。據王愛民介紹，化妝品提到幫助改善肌膚狀態，但其中並沒有客觀標準，bsports官网登录可直接基於對皮膚細胞的觀察，檢測其中的彈性纖維、膠原纖維，推出客觀的皮膚年齡標準，用於評估化妝品的有效性。

在醫療領域，超維景在開發 3D 4K 熒光內窺鏡，在傳統內窺鏡的基礎上加入細胞成像功能，使醫生看到更多信息，進一步推動精準診斷。

王愛民提到：" 新技術的推廣市場教育非常重要，尤其是在保守謹慎的醫療市場。bsports官网登录要先充分理解醫生的使用習慣再去設計產品，創新技術要變成對醫生而言真正好用的產品。" 目前，超維景正在跟 301 醫院合作，開發一次性內窺鏡，用於消化道早癌的篩查、診斷；公司也在與協和醫院婦產科聯合開展宮頸癌早篩方麵的研究。

寫在*後

腦科學，無疑是近年來醫療領域*火的命題之一。

人類腦部結構錯綜複雜，包含千億個神經元，至今科學家都仍在探索情緒、感情等發生機製。成像技術是腦科學研究發展的關鍵。從 CT、MRI 到 PET 等成像技術，都是為做到 " 眼見為實 "。人類不斷追求，在新鮮樣本、甚至是活體上直接進行高分辨率成像。多光子顯微成像技術在成像分辨率、速度、深度等多方麵具有較大優勢，賦能腦科學研究。

同時將進一步揭示腦疾病發病機製及指導檢測治療方法的開發。如癲癇、帕金森、阿爾茲海默等神經係統疾病所帶來的社會負擔、經濟負擔重，且持續周期長，缺少有效的治療手段。如果能在疾病機製上有一些新的發現，做到早防早治，可極大地減輕社會負擔。

再者，成像技術必將與數字技術特別是人工智能技術緊密結合，"AI+" 的成像係統將進一步提高臨床醫生的診療水平。

綜合來看，多光子顯微成像技術擁有 " 科研 + 臨床 " 的廣闊應用空間，將成為人類在腦科學研究海域中的一座燈塔，照亮更多隱秘的角落。

參考文章：

《你為什麽會癢？中科院研究揭示癢覺表征和感知的神經機製》——澎湃必一体育sport网页版登录

《【科技前沿】北京大學程和平 / 王愛民團隊研製成功微型化三光子顯微鏡》——中國生物物理學會

《多光子顯微成像技術在腦部疾病研究中的應用》——黃燕霞、周非凡、周婷、許皓、林丹櫻、屈軍樂

《Miniature three-photon microscopy maximized for scattered fluorescence collection 》——《Nature Methods》

《世界首次！北大研製空間站雙光子顯微鏡獲取航天員皮膚三維圖像》——北京大學