2.2克顯微鏡 看得清一個(gè)細(xì)胞

尹穎堯

在北京大學(xué)王克楨樓214室里，吳博士開始實(shí)驗(yàn)。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(gè)直徑1厘米的正方板，板上有一個(gè)不注意根本看不見的小點(diǎn)，這個(gè)小點(diǎn)就是直徑僅0.4毫米的顯微鏡。電腦左側(cè)有一個(gè)工作臺(tái)，吳博士把顯微鏡戴在實(shí)驗(yàn)鼠的頭上，再把實(shí)驗(yàn)鼠放置在工作臺(tái)上的箱子中，這樣就可以收集自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)鼠的神經(jīng)元信號(hào)。實(shí)驗(yàn)大約持續(xù)半小時(shí)到一小時(shí)。然后取下顯微鏡，把實(shí)驗(yàn)鼠放回飼養(yǎng)籠中。

吳潤(rùn)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(dāng)“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(gè)0.2毫米*0.2毫米像素組成，每個(gè)像素則代表了80000個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的情況。從片子上遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法看清單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，不能得到單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng)信息。好在核磁共振視野廣，能拍攝整個(gè)腦部，能“模糊”地顯示患者的病灶是在哪個(gè)區(qū)域。

而吳潤(rùn)龍博士使用的這個(gè)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(xué)科交叉研發(fā)團(tuán)隊(duì)研制的，“它能看到每一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的情況，”陳良怡教授說，“它還能看清神經(jīng)細(xì)胞間的能量轉(zhuǎn)換?！眱蓚€(gè)神經(jīng)細(xì)胞間的接觸點(diǎn)，被稱為“突觸”，能量通過“突觸”實(shí)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(shí)驗(yàn)鼠戴上后沒什么感覺，可自由活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了“無限制行為動(dòng)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(diǎn)，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(gè)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(shì)進(jìn)行互補(bǔ)，就有可能精準(zhǔn)定位病灶。比如當(dāng)患者前往醫(yī)院就診，先進(jìn)行核磁共振的檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)某個(gè)腦部某個(gè)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(zhǔn)找到病源。這是國(guó)家十三五生物醫(yī)學(xué)成像大設(shè)施中的一個(gè)研究方向，也是陳教授的研究重點(diǎn)。

北京大學(xué)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(xué)家曾普遍認(rèn)為，15克重是雙光子熒光顯微鏡可以達(dá)到的，做得更輕非常困難。但實(shí)驗(yàn)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(dòng)不便，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)鼠戴上后沒什么感覺，可自由活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了“無限制行為動(dòng)物成像（Imaging in freely behaving animals）”。

“為神經(jīng)科學(xué)研究打開了一扇門”

“無限制行為動(dòng)物成像技術(shù)，為神經(jīng)科學(xué)打開了一扇門，開啟了在自然行為狀態(tài)下的研究。”陳良怡教授自豪地說。

無論實(shí)驗(yàn)鼠是覓食、哺乳，還是打斗、嬉戲、睡眠，觀察它的腦細(xì)胞活動(dòng)狀況，這款顯微鏡都能大顯身手。陳良怡教授和浙江大學(xué)胡海嵐教授的團(tuán)隊(duì)正在合作，研究實(shí)驗(yàn)鼠的攻擊性行為。研究人員把兩只實(shí)驗(yàn)鼠放在類似于橋的狹窄通道的兩端，當(dāng)它們?cè)凇皹颉鄙舷嘤鰰r(shí)，一般會(huì)有一只實(shí)驗(yàn)鼠往前沖，展現(xiàn)攻擊性，另一只實(shí)驗(yàn)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(dòng)信息，“看得見”大腦學(xué)習(xí)、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(xué)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(xì)胞（Grid Cells）”上的杰出研究，獲得2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。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(xì)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(xué)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(jī)構(gòu)，它的一項(xiàng)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(huì)有一只年長(zhǎng)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(huì)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(qiáng)或減少雄激素，雄鳥腦部對(duì)應(yīng)的神經(jīng)元發(fā)生的變化。與北京大學(xué)合作后，這個(gè)問題慢慢地迎刃而解?！斑@項(xiàng)研究的對(duì)象雖然是鳥類，但對(duì)定量化的理解人類的學(xué)習(xí)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(huì)評(píng)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(jiǎng)，被生物學(xué)界稱為諾貝爾獎(jiǎng)風(fēng)向標(biāo)。2018年度技術(shù)正是無限制行為動(dòng)物成像技術(shù)，其代表科研就是北京大學(xué)的這款顯微鏡，入選理由是此項(xiàng)技術(shù)“威力”無比，將對(duì)神經(jīng)科學(xué)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(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所、生命科學(xué)學(xué)院、工學(xué)院和軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院等組成跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)，運(yùn)用微集成、微光學(xué)、超快光纖激光和半導(dǎo)體光電學(xué)等技術(shù)，歷經(jīng)三年多協(xié)同完成的。比如陳良怡的團(tuán)隊(duì)的工作是設(shè)計(jì)微型化顯微鏡的光路，組裝和優(yōu)化各個(gè)器件，以達(dá)到光學(xué)上最佳效果。程和平院士表示，下一步將會(huì)把這個(gè)獨(dú)一無二的工具運(yùn)用到腦科學(xué)研究中，建立專業(yè)化、流水化的隊(duì)伍，回答一些小實(shí)驗(yàn)室解決不了的大科學(xué)問題。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)辦了公司，滿足市場(chǎng)對(duì)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(chǎng)價(jià)值就非常大。”在腫瘤切除手術(shù)時(shí)，這款顯微鏡可以放入身體內(nèi)，幫助醫(yī)生準(zhǔn)確地找到腫瘤病源，精準(zhǔn)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(jī)制中都能發(fā)揮重要作用。