绘制神经“地图”

“微型双光子显微成像系统”研制之路

    期次:第1479期    作者:姚铭星 张守玉 高乔


程和平院士及其团队 程和平院士及其团队


对比宽场荧光显微镜 对比宽场荧光显微镜、 、 大型双光子显微镜和微型双光子显微镜
  大型双光子显微镜和微型双光子显微镜, , 微型双光 微型双光子显微镜具有可相比拟的成像分辨率子显微镜具有可相比拟的成像分辨率


  今年 2 月 27 日,科技部公布了“2017年度中国科学十大进展”,其中,程和平院士牵头的“研制出可实现自由状态脑成像的微型显微成像系统”项目从270项推荐进展中脱颖而出,成功入选。
  北京大学分子医学研究所程和平、陈良怡研究团队,信息科学技术学院张云峰、王爱民团队等联合组成多学科交叉研发大团队,在自然科学基金委国家重大科研仪器研制项目的支持下,运用微电子、微光学和超快激光等技术,在高时空分辨在体成像系统研制方面取得突破性技术革新,成功研制出2.2克微型化可佩戴式双光子荧光显微镜,在国际上首次记录了悬尾、跳台、社交等自然行为条件下,小鼠大脑神经元和神经突触活动的高速高分辨图像。
  从起初被国外同行咬定为“不可能实现”的15克原型机,到最后实现的仅为2.2克的微型化装置,团队经过了三年多的不懈努力。谈论起团队的研究成果,程和平充满自豪,“中国终于有了自主研发的、领先学界的实验仪器”。
  荧光分子:微观世界的眼睛打造用于全景式解析脑连接图谱和功能动态图谱的研究工具,是目前世界范围内脑科学研究的核心研究方向之一。如何打破尺度壁垒,整合微观神经元和神经突触活动与大脑整体的活动和个体行为信息,是领域内亟待解决的一个关键问题。
  早在上世纪90年代,双光子显微成像技术就已成形。荧光分子同时吸收2 个长波长的光子,在经过一个很短的所谓激发态寿命的时间后,发射出一个波长较短的光子,就能完成对神经细胞“看”的过程。
  然而,对于实时观测自由运动的模式动物神经元来说,经典的双光子显微镜过于庞大,需要限制模式动物的活动,只能在动物固定的情况下做成像实验,这样不仅限制了动物行为,而且限制了研究领域,例如动物肢体参与的行为学是无法研究的。大多数学界同行并不看好这种方式,进而纷纷搭建微型化双光子成像装置。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单光子宽场显微镜,不能达到单树突棘的成像分辨率,难以满足大多数神经科学家的诉求。
  在这样的现状下,微型化双光子显微成像系统体现了它难以替代的作用。
  相比于单光子成像,双光子的特征波长要长一倍,在脑组织内穿透深度则高出十几倍,达到几百微米。仅几克重的、仅指甲盖大小的可穿戴装置,配合柔性光子晶体光纤,即可观察突触的放电行为,研究神经元活动。实现将运动中的小鼠的神经信号转化为光信号,再转化为电信号进行进一步分析。做到“看一看”小老鼠的脑中是什么活动。
  “用我们这个显微系统可以看到两个小老鼠谈恋爱时,脑子里是怎么活动的,”程和平幽默地说,“还挺有诗意的。”
  目前已研制出的一代机可观测深度达到200 μm,一次性可观察几十个细胞的神经活动。而正在研制的二代机深度预期可达到400 μm,视场大小达到两千个细胞。数千个细胞的集体行为能够同时研究,建立起神经系统的动态图谱,这是前所未有的。
  2017年10月,诺贝尔生物学或医学奖金获得者爱德华·莫泽(Edvard.I.Moser)博士专程访问北大微型化双光子显微镜跨学科联合实验室,他对微型化双光子显微镜给予了很高的赞誉,称其将为神经科学研究,特别是他研究的大脑空间定位神经系统提供一个“革命性”的新工具。
“从任何一个标准来看,这款显微镜都代表了一项重大技术发明,它所开启的大门,甚至超越了神经元和树突成像。”冷泉港亚洲脑科学专题会议主席阿尔希诺 · 席尔瓦(Alcino. J. Silva)教授在评述中写道。
  “微型双光子显微成像系统”的问世,将建立起今后脑科学研究的新范式,成为研究的标准化方法,为正在蓬勃发展的神经科学提供了一个强有力的实验工具。
  集成创新:打破学科的壁垒要做成这样一个“不可能完成”的任务,离不开不同学科交叉以及大量研究所的合作。
  团队于2014年正式创建,由北京大学分子医学研究所、信息科学技术学院、动态成像中心、生命科学学院、工学院联合中国人民解放军军事医学科学院,共十几个实验室,组成跨八大学科研究团队,共有三四十个学生参与研究,集合了光纤激光、生物实验、光路系统、电路控制等领域的人才进行合作。
  “我所做的工作,一是当教练,二是管理。把学科之间的壁垒打破,让大家能真正在一个屋檐下一起学习交流,彼此理解。”在这样庞大的学科研究项目中,有着力学、生物学、电子学交叉背景的程和平院士起到了关键的统筹作用。谈到整个项目成功的关键,程和平认为离不开“集成创新”。
  起初,大家都没有做大仪器设备的经验。团队成立的头两年,共同组织学习了一百多次。把国际各个领域的专家、相关的同行、一些仪器公司里的应用科学家请进来一同学习交流。还走出去到斯坦福大学、加州大学进行访问交流。
  在一个新的方向上摸索总是艰难的。当时,国际上的同行普遍不看好这个项目,认定以已有的技术最多做到
150克,而至于预期的15克简直是天方夜谈。缺乏绝对的把握也是研发中的一个重要障碍,程和平坦言,“我们有信心,但是只有做出来才算。这在技术路径上不是一个障碍,而是一堆的障碍,我们得一个个攻破。”
  “要实现集成创新,就意味着我们要把一些在别的领域已经成熟的技术,应用到我们所需要的领域上去。”在程和平团队中负责主要研发工作的宗伟健说道。在这次的双光子成像显微系统中,不论是扫描器件还是自主设计的920nm激光光纤,都离不开创新和不断的尝试。“我们在整体上做到了极致。”谈到团队的成果,宗伟健很自豪。未来展望:空前规模的脑观测平台“神经科学的研究就是读、识、写、反四个过程,读这个过程我们已经完成了飞跃。”程和平介绍道。
  “超高时空分辨微型化双光子荧光显微镜”将为实现“分析脑、理解脑、模仿脑”的战略目标发挥不可或缺的重要作用,在神经生物学研究中的进一步应用将改变我们在自由活动动物中观察细胞和亚细胞结构的方式,即通过对细胞群体中可辨识的细胞和亚细胞结构的复杂生物学事件进行成像观测,从而更加深刻地理解进化所造就的大脑环路实现复杂行为的核心工程学原理。这样有可能给人工智能领域带来新的思路。
  比如,有望在帕金森症、自闭症等小鼠模型研究行为改变的神经基础上,研究小鼠学习、记忆脑皮层信息处理机制等。同时,“超高时空分辨微型化双光子荧光显微镜”与光遗传学刺激、CFE电化学和电生理融合技术的结合,有望在结构与功能成像的同时,精准地操控神经元和神经回路的活动。
  在产业化道路上,团队已然迈出了第一步。为了扩大研究成果的影响力,推动脑科学发展,团队成立了“超维景”公司,在推广设备的同时,还能为团队内优秀的青年学生提供一个创业的平台。目前已经与欧洲、美国等多家顶尖脑科学实验室达成合作关系。
  利用“微型化双光子荧光显微镜”,有望建成一个规模化、集约化、高通量、一体化信息融合的先进成像平台,采集和整合从分子到细胞再到高级组织的跨层次、跨尺度的结构和功能信息。有专业的操作人员,流水线的作业,曾经耗时一年的实验观测分析有望在一周之内就得到完成。“这在规模上是空前的,”对于正在计划建设的大型脑观测平台,程和平充满信心,“希望能成为我们国家的一张名片”。
  在富有活力的神经科学前沿,程和平团队已经抢占了先机。他们的未来,值得期待。