龙王公主

◎ 采写丨科技日报记者 金凤

◎ 规画丨赵英淑 滕继濮  林莉君

“第三次双光子显微镜测试顺遂停止！当时多”

“颇为欠缺 ！全天”

“这一次的下都现曲线如斯丝滑！”

……

4月1日上午，好今中国迷信院院士 、初次北京大学未来技术学院教授程清静的当时多微信对于话框 ，被共事们发来的全天这些品评不断刷新
。而在中国航天员科研磨炼中间内，下都现掌声此起彼伏 。好今让巨匠亲自痛苦的初次
，是当时多中国空间站再次传来的好新闻。

当日，全天神舟十五号航天员乘组
，下都现运用空间站双光子显微镜妨碍成像测试。好今他们用探头偏远掠过面部以及前臂，初次一旁的电子屏幕上赶快展现出皮肤妄想及细胞的三维扩散影像
。

视频截图

这不是显微镜第一次在轨成像测试 。往年2月上旬 ，神舟十五号航天员乘组运用空间站双光子显微镜，睁开在轨验证实验使命并取患上乐成 。这是当初已经知的天下初次在航天飞翔历程中 ，运用双光子显微镜取患上航天员皮肤表皮及真皮浅层的三维图像。

“假如能从这些图像中发现空间情景中人体变更纪律
 ，就更好了 ！”程清静捧入手机与记者分享这些迷信图像时说。

空间站双光子显微镜对于航天员皮肤表层成像。图片源头：中国载人航天

惟独清晰程清静团队十年来履历的难题曲折，能耐体味这些图像的来之不易。2013年  ，程清静向导团队开启微型化双光子显微镜钻研时 ，“全天下都不看好”。

历经10年
，该团队实现为了从科研仪器技术立异，到技术产归天，再到技术效率平台化的跃迁
。他们将中国带到全天下大脑成像钻研的前沿
，让微型化双光子显微镜在中国的高校院所、企业患上到奉背运用，为脑迷信钻研搭建起紧张试验平台 、提供了海量数据反对于 。

程清静愿望，用微型化双光子显微镜拓展人类对于脑宇宙的认知邦畿
 ，为探究脑机接口道理 、深入对于大脑疾病机制的清晰 、增长药物研发开拓一片新乾坤 。

1

一束光的开辟

意见的生物学根基是甚么
，影像是若何存储以及复原的……谢世界列国的脑迷信妄想中，这些下场排汇着全天下迷信家们不断高下求索
 。

在2021年国内威信学术期刊《迷信》宣告的125个最前沿的迷信下场中，有22个下场与脑迷信相关。

双光子显微镜的泛起 ，彷佛是照在性命迷信钻研规模的一束光
。

1992年，程清静用天下上第二台双光子显微镜 ，初次实现为了心肌线粒体成像。

“双光子显微镜 
，是用两个光子同时激发统一个荧光份子的光学成像技术。它具备做作的光学断层扫描下场，能看到的机关深度更深，成像的清晰度更高 ，像一个高功能的X光机。”程清静说 ，与单光子显微镜比照，双光子显微镜看患上准、看患上深
、光伤害小。但传统的台式双光子显微镜颇为轻捷 ，足有房间那末大 ，以是只能审核头部牢靠的植物概况植物的脑切片。

钻研一款微型化双光子显微镜，审核自内行走的小植物脑壳中的一颗颗神经元的动态变更，成为程清静藏在心底的一个妄图 。

一个妄图的扑灭，无意惟独一个使命的呼叫。

2013年 ，国家做作迷信基金委员会启动了国家严正科研仪器研制名目 。程清静带队恳求了“超高时空分说微型化双光子在体显微成像零星”名目。

那一年，美国启动“立异性神经技术增长的脑妄想”
，欧盟启动了旨在建树大型脑迷信钻研数据库以及脑功能合计机模拟平台的“人脑妄想”。

而此前 ，我国在《国家中临时迷信以及技术睁开妄想纲要（2006—2020年）》中
 ，已经把“脑迷信与认知”参加根基钻研8个迷信前沿下场之一。

“中国迷信家惟独用自己研发的审核仪器，做出原创性的脑迷信下场，国内迷信界才会招供。咱们愿望研制一款成像仪，争先让中国迷信家用起来。用外洋的仪器做钻研 ，都是在他人建树的四梁八柱上做文章
。”程清静用使命必达的定夺来准备名目的启动。

2

一场逾越山海的探究

想实现双光子显微镜在逍遥行动的植物体上的高清成像，必需为它“瘦身”。

可是
，极大的技术难度，让团队一度面临质疑。程清静向科技日报记者坦言 ，7200万元的投入“至关于一吨百元大钞”，事实能不能收获一个看患上见的未来，巨匠当时心田很忐忑。“那时天下多国试验微型化双光子显微镜的研制，但都不本性性突破，试验十多少回都无疾而终。”他说。

程清静所言非虚 。2008年，瑞士有课题组宣告了他们的微型双光子零星，仅重0.9克，并实现为了大鼠在体钙成像信号。但其空间分说率极低 ，也未实现真正的逍遥行动下的成像 。

2009年，德国有课题组揭示了它们的微型双光子零星，着实际分说率挨近大型的双光子显微镜 。但其探头较重，扫描速率很慢 。

程清静去世后，有一支差距艰深的团队 ，团队中有人钻研超快激光器，有人专攻高速电路 ，有人长于图像处置，有人能做大数据合成……可是 ，钻研起步阶段  ，团队中无人具备研制零星性科研配置装备部署的履历，技术道路也不断定。

“奈何样办？惟独一点点地子细做。”程清静给团队立下军令状 。

在名目开始的前两年
，巨匠争分夺秒地罗致多学科的营养。在北京大学份子医学钻研所300平方米的大仪器散漫试验室里  ，来自机械
、光学、生物 、电路等钻研规模的师生集聚在一起 ，交流商讨。每一周六上午的总体学习 ，巨匠分享一周行业动态，介绍各自钻研妨碍。同时，大批的国内外顶尖专家被聘用来作陈说。

引进来的同时，团队也一再走进来。仅2014年，他们就涉足美国、俄罗斯 、澳大利亚、西班牙。每一去一个中间 ，巨匠都市在当天破晓写好总结 ，发给团队配合窗习 。

3

一场不断十年的攻关

2017年，团队终于迎来了高昂夷易近意的妨碍 。

在如今北京大学膜生物学国家重点试验室配置装备部署研发平台内 ，一个惟独拇指巨细 、重约2.2克的显微镜探头 ，被珍藏在试验室深处——这是团队于2017年乐成研制的第一台微型化双光子显微镜的中间部件。

这台显微镜可能实现高时空分说微型化成像，能实时记实数十个神经元、上千个神经突触动态信号。这些突破性的妨碍，使此落选2017年中国迷信十大妨碍。

4年后，该团队推出微型化双光子显微镜的2.0版本，其成像视线扩展到初代显微镜的7.8倍，同时具备三维成像能耐，取患了小鼠在逍遥行动行动中大脑三维地域内上千个神经元清晰晃动的动态功能图像 。

往年2月 ，团队又宣告了他们研制的微型化三光子显微镜。该显微镜能直接透过大脑皮层以及胼胝体，初次实现对于自内行径中小鼠的大脑全皮层以及海马神经元功能成像，神经元钙信号最大成像深度可达1.2毫米，血管成像深度可达1.4毫米。

致广漠而尽精微
。10年 ，微型化双光子显微镜实现为了从高清成像 ，向更广、更深成像的科研妄想。可是，这在研制一款“大国重器”的探究之旅中 ，概况仅仅是开始。

2021年第二代微型化双光子显微镜（探头）。团队供图

2016年，当第一代微型化双光子显微镜的钻研即将“破土”时，一个声音再次在程清静脑海里反映，“假如投入‘一吨百元大钞’，只是交付3台显微镜，性价比过低了 。理当先让中国科研院所 、企业的试验室用起来，做出争先国内的钻研
，再向国内市场推广。”

让程清静下定定夺办公司的，尚有3年来哺育起来的一支团队。“国家投入这么大 ，让咱们长了一身本领 ，名目结题后假如团队散了就太迷惑了。”程清静说。

办公司让钻研下场产归天，成为程清静团队的共识。2016年，程清静团队建树了北京超维景生物科技有限公司（如下简称超维景）。

一个新时期开启了
。

4

一场自主自强的财富困绕

当迷信技术的光线照进财富
，不光雕刻技术立异的成色
，也可能点亮一片“暗夜” 。要将高端详尽科研仪器产归天 ，元器件的坚贞性、晃动性必需过硬。

微型物镜 ，是微型化双光子显微镜的关键中间零部件
。团队中间成员 、北京大学未来技术学院特聘副钻研员吴润龙记患上 ，最后做道理样机时，团队从外洋一家公司进口微型物镜。

但当团队进入显微镜产归天阶段后 ，对于方的睁开火略也爆发变更
。“对于方要求咱们置办他们相助过错的单光子显微镜零星
，物镜再也不径自售卖 ，而这个零星的价钱要100多万元。价钱太大，咱们不能被‘洽谈’。”吴润龙说
，自此，团队开始自行妄想高数值孔径的微型物镜，并散漫国内企业加工，在超维景妨碍装置以及测试 。

自胜者强。2018年，赵春竹到北京大学未来技术学院做博士后钻研 ，为助力物镜的自主研发按下了快进键。

“经由三代技术攻关 ，咱们已经把握了高端物镜的妄想技术。但在自主妄想
、加工的根基上 ，还要组成高精度自主装置的流程以及措施。微型物镜由多个镜片叠加而成
，每一片直径约3毫米
，最后咱们将所有的镜片一起装置完后
，不同调试，但发现精度相差太大 。其后 ，咱们优化了装调工艺，每一装置一片镜片，都用仪器检测光轴偏移量 、焦距等参数。由于物镜直径过小 ，一起头
，调解多少微米的倾向 ，都要耗时一两天。”赵春竹回顾 ，最难题的时候，巨匠简直悲不雅。但抱着不破楼兰终不还的定夺，巨匠多少微米多少微米地去世磕
，想措施迭代技术，最终并吞了高端微型物镜装置技术 。

光纤是显微镜微型化的另一个瓶颈。团队成员、北大电子学院副教授王爱夷易近妄想了一款蜂窝状的空芯光子带隙光纤，让激光经由光纤传输到微型化探头的历程中，脉冲不爆发畸变、能量简直不斲丧，以实用激发小植物体内的荧光份子
。

但让王爱夷易近措手不迭的是 ，妄想妄想有了，国内却不厂家能破费这种光纤
。“咱们最后找了一家外国公司订制 。但一年后
，这家公司提出翻番的价钱  ，每一米光纤的价钱挨近万元  ，仅光纤的老本就削减了多少百万元。”他回顾说，团队被“官逼夷易近反” ，转而携手上海光机所的一位青年学者一起试探加工工艺，妨碍国产化 。

在北京大学未来技术学院教授陈良怡看来，科研仪器国产化历程中的困绕，也将建议运用根基钻研与财富睁开“双向奔赴”。

“咱们的论文宣告后 ，良多技术被果真了
，但良多人做一再试验时无奈再现，是由于加工中有良多细节下场难以处置 ，这些细节在学术论文中也难以泛起。”陈良怡说，假如想将这款显微镜尽快用起来 ，就要将科研下场产归天
，建议财富的睁开
。而产归天的历程，也匆匆使他们思考，若何用成像技术增长神经迷信 、脑迷信致使全部性命迷信根基钻研的睁开。

当初，超维景研制的微型化双光子显微镜已经效率了150余家国内试验室，年平均销售额达5000万元。往年，公司还将拓展国内市场 。

5

一项天下初创的运用

10年前名目启动时
，程清静抱着“从幼儿园开始读一个博士学位”的心态，研制微型化双光子显微镜 。

光阴浩荡向前，多年的严阵以待是否能反对于国家严正策略需要？团队将答卷写进宇宙天穹。

2019年，在中国载人航天工程办公室鼎力反对于下 ，程清静团队 、中国航天员科研磨炼中间李英贤团队 、北京航空航天大学冯丽爽团队散漫相关企业及院所，组建了空间站双光子显微镜名目团队
，由程清静负责总负责人。

“中国要睁开载人航天、要钻研性命迷信 ，太空是一个罕有的试验室。在失重情景下，人体细胞是若何实现新陈代谢的 ，大脑的神经元又将爆发甚么变更 ，都是很好的钻研课题
 。双光子显微镜成像深度深，可能辅助咱们逐层扫描、合成航天员的细胞妄想以及代谢成份信息。”程清静说。

2022年9月，空间站双光子显微镜研制乐成。昔时11月12日
，空间站双光子显微镜搭乘天舟五号货运飞船乐成运抵中国空间站，成为天下首台进入太空的双光子显微镜。

程清静团队自主研发的空间站双光子显微镜地面样机  。团队供图

往年2月上旬的一天，空间站双光子显微镜终于开机。坐在中国航天员科研磨炼中间看到航天员操作画面传回 ，程清静松了一口吻
：“终于乐成了 。”

新闻传来
，全部团队沸腾了
。“这辈子能做这么一件使命，值了 ！”王爱夷易近至今回顾起来仍感动不已经。

鲜为人知的是，为了抵达航天运用的尺度，显微镜履历了一次次演化 。

详尽的显微镜，要能接受飞船发射时的猛烈振动 ，这要求它饶富抗振。“最后，激光器的中间部件被振患上破碎捣毁  。”北京大学未来技术学院助理钻研员王好汉记患上，为了让显微镜“结子筋骨”，他们将激光器的中间部件妄想为固态妄想，以增强激光器的机械强度，同时在激光器外部削减了减震装置，至关于给其上了一层保险
。

超维景的团队也退出进来。超维景超快激光事业部司理陈燕川介绍，他们将激光器中间部件置于-40℃至80℃的温度下循环试验 ，使部件在短期内一再接受极其高高温变更应力以及极其温度交替突变的影响 
，以排查隐患。为了确保万无一失，团队还制作多组关键部件样品
，妨碍加量级、破损性的振动侵略试验，保障显微镜能知足航天发射情景种种极其条件的挑战
。

最终，团队实现为了多项突破：初次在轨验证实验实现为了天下上初次双光子显微镜在轨个别运行 ，国内初次实现飞秒激光器在轨个别运行，国内上初次在轨、在体审核航天员细胞妄想以及代谢成份信息。

6

一个妄图的动身

从突破实际钻研瓶颈 ，到试水财富蓝海
，再到反对于国家严正策略需要 ，程清静团队将科技立异的底色写在从技术立异到财富运用的跃迁中 。如今
，一个更重大的想象正在渐次紧锁
。

在南京江北新区，建树近4年的北大份子医学南京转化钻研院（如下简称转化院），已经搭建起高端脑成像的公共技术效率平台“南京脑不雅象台”。后者可能提供微型化双光子显微镜 、超锐敏妄想光超分说显微镜及高速三维扫描荧光成像零星等配置装备部署，辅助科研团队取患上从大脑突触、神经元集群、神经环路，再到全脑水平的全景式脑功能成像。

在南京脑不雅象台投入运用的微型化双光子显微镜成像零星 。团队供图

科研团队的去世后 ，尚有一群人与他们并肩作战 。

简直天天  ，试验员陈雪莉都要为小鼠注入审核所需的荧光卵白，对于小鼠妨碍行动磨炼
。

当她为小鼠戴上显微镜探头后，一旁的屏幕上会赶快泛起出小鼠大脑的钙行动影像 
。

“脑不雅象台有一支技术团队。对于筛选经由的钻研名目，技术团队会与科研团队一起拟订试验妄想，为学者们制备、磨炼小鼠 ，收集小鼠的脑行动成像数据 ，再将小鼠的行动学数据以及脑行动数据立室，供科研职员合成小鼠在展现出某种行动时
，大脑爆发了甚么变更。”转化院副院长赵婷批注
，脑不雅象台愿望将学者们从啰嗦高难的试验技术细节中约束进去
，减速从实际想象到试验发现的历程 。

凭仗南京脑不雅象台成像技术的反对于 ，迷信家们已经开始收获惊喜 、下场迭出：小鼠有当机立断的行动，而伶丁症小鼠却存在这一行动缺陷；昏迷形态下小鼠癫痫爆发时，神经元颇为放电……

赵婷介绍，如今，脑不雅象台已经效率了100多家单元的180余个课题组，开机光阴累计逾越2万小时 。脑不雅象台与江北新区散漫建议的两期“探究妄想” ，也已经累计反对于48项课题钻研。

十年春华秋实。一颗在未名湖畔种下的种子，如今正在千里之外的扬子江畔落地生根、开枝散叶，荫泽天下的脑迷信 、神经迷信等规模的钻研。

40多年前 ，少年程清静曾经在他的条记本上写下带有科幻颜色的事实——“做一款脑子记实器”。

逾越万水千山，如今，事实照进事实 ，中国脑迷信钻研风华正茂
。