2023科学跨年｜十一位科学家，跨年夜接力演讲，全文来了！(3)

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看得见的生命健康

演讲嘉宾：
程和平 (中国科学院院士、北京大学未来技术学院教授)
在我们人类进行思考的时候，我们的大脑里面发生了什么？在我们心脏跳动的时候，心脏的细胞又发生了怎样的变化？为了能够清晰地看到活体动物大脑里面的神经元、神经突触，它的结构和信号，就要借助到我们这种双光子显微镜，它就像一个高性能的X光机，能够透过大脑的组织，透过皮肤的组织看到细胞里面的结构和动态，比如刚刚我们主持人的测试结果，显示的是它在细胞层有很旺盛的线粒体的NADH的荧光信号，反映它的代谢非常旺盛，它有很丰富的胶原纤维和弹力纤维，代表着皮肤的年轻态。我与双光子显微镜的结缘最早是在1992年，那时我是马里兰大学的研究生，在研究心脏收缩的原理。我们开车6个小时来到康奈尔大学，看到了当时世界上第二台双光子显微镜。我的第一感觉就是它特别大，一间屋子就是一台显微镜，还有支撑这个显微镜的两台超快激光器，我就用这台双光子显微镜拍摄了心肌细胞里面线粒体的NADH信号，线粒体是细胞的能量工厂，NADH是线粒体燃烧的“煤”，它有自发的荧光，可以用双光子拍出非常漂亮的图片，来反映细胞的代谢状态，但是，总不能把一间屋子大小的显微镜背在小动物的脑袋上吧？如何才能创造出一种显微镜，能够在小动物自由行走的条件下，看到一颗一颗神经元一闪一闪的动态变化，这是揣在我心底里的一个梦想。2013年，微型化双光子显微镜获得国家自然科学基金委的正式立项支持，那时候我们是想做15克的微型化显微镜的探头。在2013年，全世界都不认为我们能做出来，我们去斯坦福大学请教他们的一位教授，现在也是美国脑计划的引领者之一。他告诉我们说你们想做15克，那是做不出来的，150克还有可能。后来我把他请到北大，我们交流了一周，临走的时候他又告诉我们说，你有可能做出来。我就说你怎么又改变想法了呢？他说你们有非常好的团队，有搞激光的，有搞机械的，有搞自动控制的，有搞生命科学的，有搞光学设计的，说只有这样一个集团军的团队，才有可能一举攻克微型化双光子显微镜的难题。经过3年不懈的努力，我们团队于2017年成功地研发了一种高速高分辨的微型化双光子显微镜，这个就是微型化双光子显微镜的成像探头。它的大小只有拇指大小，重量只有2.2克，但是它的成像质量可以跟我们台式的屋子大小的双光子显微镜相媲美。因为足够小，足够轻便，它可以经过训练后戴在小动物的脑袋上，小动物可以自由自在地行走，也可以戴着它睡觉做梦，进行长时间的观察，获取神经元水平，甚至神经突触水平的动态的变化信号。在脑科学当中，在真实场景中来观测大脑的活动状态非常重要，所以我们的技术为脑科学研究提供了一个革命性的工具，它不仅可以看得见学习、记忆、决策等思维的过程，还可以为我们研究脑疾病的机制，比如像自闭症、阿兹海默症、癫痫、睡眠障碍等等，它的神经的机制开启了新的研究范式。如果2017年的那款微型化双光子显微镜算是第一代的话，那我们在2021年发布了第二代的显微镜，比第一代的显微镜要看多十几倍的神经元的数目，它的视场也增加了7.8倍，而且它可以看三维图像，可以像切片一样一层一层地看。马上就要出来的是第三代，第三代我们做的是微型化三光子显微镜，三光子显微镜的好处是看得更深，从小鼠的皮层可以一层一层地往下看，一直可以看到皮层下的海马区。不久前，我们用同样的便携式双光子显微镜与航天医学的专家合作，研究了人在模拟失重条件下，体表双光子的生命信号的变化，得到了一些有意义的结果。面向未来，我们启动了下一轮的技术革新，要把微型化双光子显微镜变成临床上的双光子内窥镜，来用于我们消化道、呼吸道肿瘤的早筛早查。我们特别期待，这个最初为脑科学量身打造的一个技术，能够直接服务于人民的生命健康，让我们的生活更美好。