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应用分类: 手机网游
使用语言: 中文
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　　【深瞳工作室出品】✉️　采写：本报记者金凤　◼️策划：赵英淑滕继濮林莉,,,　　今年2月上旬，神舟十五号航天员乘组使用空间双光子显微镜，开展在轨证实验任务并取得成功。是目前已知的世界首次在天飞行过程中，使用双光显微镜获取航天员皮肤表及真皮浅层的三维图像。　“第三次双光子显微镜⏳试顺利结束！”　　“无完美！”　　“这一次的📥线如此丝滑！”　　……　4月1日上午，中国科学院院士、北京大学未来技学院教授程和平的微信对框，被同事们发来的这些📱论不断刷新。而在中国航员科研训练中心内，掌声😭起彼伏。让大家欢欣鼓舞👨🏿‍🤝‍👨🏻，是中国空间站再次传来📢好消息。　　当日，神舟五号航天员乘组，使用空🛄站双光子显微镜进行成像试。他们用探头轻轻掠过🍵部和前臂，一旁的电子屏上立即显示出皮肤结构及胞的三维分布影像。　　💍不是显微镜第一次在轨成🐎测试。今年2月上旬，神舟十五号航天员乘组使用空🎫站双光子显微镜，开展在验证实验任务并取得成功这是目前已知的世界首次😥航天飞行过程中，使用双⚡子显微镜获取航天员皮肤皮及真皮浅层的三维图像　　“如果能从这些图像-发现空间环境中人体变化律，就更好了！”程和平着手机与记者分享这些科🚝图像时说。　　只有了解和平团队十年来经历的艰曲折，才能体会这些图像来之不易。2013年，程和平带领团队开启微型化光子显微镜研究时，“全界都不看好”。　　历经10年，该团队完成了从科研仪器技术创新，到技术产-化，再到技术服务平台化跃迁。他们将中国带到全大脑成像研究的前沿，让型化双光子显微镜在中国高校院所、企业得到推广用，为脑科学研究搭建起🤣要实验平台、提供了海量👩‍🍳据支持。　　程和平希望🐉用微型化双光子显微镜拓人类对脑宇宙的认知疆域为探索脑机接口原理、深对大脑疾病机制的了解、进药物研发开辟一片新天。　　一束光的启迪　　识的生物学基础是什么，忆是如何存储和恢复的…🧵在世界各国的脑科学计划🤹‍♀️，这些问题吸引着全球科家们不断上下求索。　　2021年国际权威学术期刊《科学》发布的125个最前沿的科学问题中，有22个问题与脑科学相关。　　双光子显微镜的出现，佛是照在生命科学研究领的一束光。　　1992年，程和平用世界上第二台光子显微镜，首次实现了肌线粒体成像。　　“双✡️子显微镜，是用两个光子时激发同一个荧光分子的学成像技术。它具有天然🙎‍♀️光学断层扫描效果，能看的组织深度更深，成像的晰度更高，像一个高性能X光机。”程和平说，与单光子显微镜相比，双光子微镜看得准、看得深、光伤小。但传统的台式双光显微镜非常笨重，足有房那么大，所以只能观察头固定的动物或者动物的脑片。　　研究一款微型化光子显微镜，观察自由行的小动物脑袋中的一颗颗经元的动态变化，成为程平藏在心底的一个梦想。🚲　一个梦想的点燃，有时需一个使命的召唤。　　2013年，国家自然科学基金委员会启动了国家重大研仪器研制项目。程和平队申请了“超高时空分辨-型化双光子在体显微成像统”项目。　　那一年，国启动“创新性神经技术动的脑计划”，欧盟启动↕️旨在建立大型脑科学研究据库和脑功能计算机模拟👩🏼‍🤝‍👨🏿台的“人脑计划”。　　此前，我国在《国家中长科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》中，已把“脑科学与认知🪑列入基础研究8个科学前沿问题之一。　　“中国科♥️家只有用自己研发的观测器，做出原创性的脑科学果，国际科学界才会认可我们希望研制一款成像仪率先让中国科学家用起来👴用国外的仪器做研究，都👅在别人建设的四梁八柱上文章。”程和平用使命必的决心来筹备项目的启动　　一场跨越山海的探索　想实现双光子显微镜在由活动的动物体上的高清像，必须为它“瘦身”。♾️　然而，极大的技术难度让团队一度面临质疑。程👨‍👧‍👦平向科技日报记者坦言，7200万元的投入“相当于一吨百元大钞”，究竟能--能收获一个看得见的未来💂‍♂️大家当时心里很忐忑。“🏳️时世界多国尝试微型化双🌕子显微镜的研制，但都没实质性突破，尝试十几次无疾而终。”他说。　　和平所言非虚。2008年，瑞士有课题组公布了他的微型双光子系统，仅重0.9克，并实现了大鼠在体钙成像信号。但其空间分🟡率极低，也未实现真正的由运动下的成像。　　2009年，德国有课题组展示了它们的微型双光子系统🤺其理论分辨率接近大型的🧑🏿‍🤝‍🧑🏿光子显微镜。但其探头较🥖，扫描速度很慢。　　程◼️平身后，有一支不同寻常🤛团队，团队中有人研究超激光器，有人专攻高速电🚙，有人擅长图像处理，有👩‍👩‍👧‍👦能做大数据分析……然而🦿研究起步阶段，团队中无具备研制系统性科研设备-,经验，技术路线也不确定🧙　　“怎么办？只有一点地认真做。”程和平给团🍑立下军令状。　　在项目⏫始的前两年，大家争分夺😷地汲取多学科的营养。在京大学分子医学研究所300平方米的大仪器联合实验室里，来自机械、光学、物、电路等研究领域的师🤮汇聚在一起，交流切磋。👠周六上午的集体学习，大分享一周行业动态，介绍🙍‍♀️自研究进展。同时，大量👩🏽‍🤝‍👩🏻国内外顶尖专家被邀请来报告。　　引进来的同时团队也频频走出去。仅2014年，他们就涉足美国、俄罗斯、澳大利亚、西班。每去一个地方，大家都在当天晚上写好总结，发团队共同学习。　　一场🍻续十年的攻关　　2017年，团队终于迎来了振奋心的进展。　　在如今北✡️大学膜生物学国家重点实室设备研发平台内，一个有拇指大小、重约2.2克的显微镜探头，被珍藏在🕵️‍♀️验室深处——这是团队于2017年成功研制的第一台微型化双光子显微镜的核部件。　　这台显微镜可实现高时空分辨微型化成，能实时记录数十个神经、上千个神经突触动态信。这些突破性的进展，使🥩入选2017年中国科学十大进展。　　4年后，该团队推出微型化双光子显微的2.0版本，其成像视野扩大到初代显微镜的7.8倍，同时具备三维成像能，获取了小鼠在自由运动为中大脑三维区域内上千神经元清晰稳定的动态功🚓图像。　　今年2月，团队又发布了他们研制的微型🌤️三光子显微镜。该显微镜,-直接透过大脑皮层和胼胝，首次实现对自由行为中鼠的大脑全皮层和海马神元功能成像，神经元钙信最大成像深度可达1.2毫米，血管成像深度可达1.4毫米。　　致广大而尽精微。10年，微型化双光子显微镜完成了从高清成像向更广、更深成像的科研局。然而，这在研制一款大国重器”的探索之旅中也许仅仅是开始。　　2016年，当第一代微型化双光子显微镜的研究即将“土”时，一个声音再次在和平脑海里回响，“如果🛌入‘一吨百元大钞’，只📡交付3台显微镜，性价比太低了。应该先让中国科研所、企业的实验室用起来💄做出领先国际的研究，再国际市场推广。”　　让-和平下定决心办公司的，有3年来培养起来的一支团队。“国家投入这么大，我们长了一身本事，项目🔼题后如果团队散了就太可了。”程和平说。　　办司让研究成果产品化，成程和平团队的共识。2016年，程和平团队创立了北京超维景生物科技有限公🏛️(以下简称超维景)。　　一个新时代开启了。　　场自立自强的产业突围　当科学技术的光芒照进产，不仅砥砺技术创新的成🦗，也可以点亮一片“暗夜。要将高端精密科研仪器品化，元器件的可靠性、🚒定性必须过硬。　　微型镜，是微型化双光子显微☣️的关键核心零部件。团队心成员、北京大学未来技学院特聘副研究员吴润龙得，最初做原理样机时，队从国外一家公司进口微⌨️物镜。　　但当团队进入微镜产品化阶段后，对方发展战略也发生变化。“🚨方要求我们购买他们合作伴的单光子显微镜系统，镜不再单独售卖，而这个统的价格要100多万元。代价太大，我们不能被‘脖子’。”吴润龙说，自，团队开始自行设计高数-孔径的微型物镜，并联合内企业加工，在超维景进装配和测试。　　自胜者。2018年，赵春竹到北京大学未来技术学院做博后研究，为助力物镜的自研发按下了快进键。　　经过三代技术攻关，我们经掌握了高端物镜的设计术。但在自主设计、加工🏄‍♂️基础上，还要形成高精度🥎主装配的流程和方法。微🙍‍♂️物镜由多个镜片叠加而成每片直径约3毫米，最初我们将所有的镜片一起装配后，统一调试，但发现精相差太大。后来，我们优了装调工艺，每安装一片🆑片，都用仪器检测光轴偏🐯量、焦距等参数。由于物直径太小，一开始，调整🚳微米的误差，都要耗时一天。”赵春竹回忆，最艰🛀的时候，大家几乎绝望。抱着不破楼兰终不还的信，大家几微米几微米地死，想办法迭代技术，最终克了高端微型物镜装配技⭐。　　光纤是显微镜微型的另一个瓶颈。团队成员北大电子学院副教授王爱设计了一款蜂窝状的空芯💂‍♀️子带隙光纤，让激光通过纤传输到微型化探头的过中，脉冲不发生畸变、能🚧几乎不损耗，以有效激发🥶动物体内的荧光分子。　⛰️但让王爱民措手不及的是设计方案有了，国内却没厂家能生产这种光纤。“们最初找了一家外国公司制。但一年后，这家公司出翻番的价格，每米光纤价格接近万元，仅光纤的本就增加了几百万元。”回忆说，团队被“逼上梁”，转而联袂上海光机所🌡️一位青年学者一起摸索加工艺，进行国产化。　　♎北京大学未来技术学院教陈良怡看来，科研仪器国化过程中的突围，也将带👨‍🏫应用基础研究与产业发展双向奔赴”。　　“我们论文发表后，很多技术被开了，但很多人做重复实时无法再现，是因为加工有很多细节问题难以解决这些细节在学术论文中也🥊以呈现。”陈良怡说，如🪁想将这款显微镜尽快用起，就要将科研成果产品化🤟带动产业的发展。而产品的过程，也促使他们思考如何用成像技术推动神经学、脑科学乃至整个生命学基础研究的发展。　　🔼前，超维景研制的微型化光子显微镜已服务了150余家国内实验室，年平均售额达5000万元。今年，公司还将拓展国际市场🥠　　一项世界首创的应用　10年前项目启动时，程和平抱着“从幼儿园开始💞一个博士学位”的心态，制微型化双光子显微镜。　时光浩荡向前，多年的兵秣马是否能支撑国家重战略需求？团队将答卷写💈宇宙苍穹。　　2019年，在中国载人航天工程办🍥室大力支持下，程和平团、中国航天员科研训练中李英贤团队、北京航空航大学冯丽爽团队联合相关业及院所，组建了空间站光子显微镜项目团队，由和平担任总负责人。　　中国要发展载人航天、要究生命科学，太空是一个得的实验室。在失重环境，人体细胞是如何完成新代谢的，大脑的神经元又发生什么变化，都是很好-研究课题。双光子显微镜,-像深度深，可以帮助我们👪层扫描、分析航天员的细结构和代谢成分信息。”和平说。　　2022年9月，空间站双光子显微镜制成功。当年11月12日，空间站双光子显微镜搭天舟五号货运飞船成功运-中国空间站，成为世界首进入太空的双光子显微镜🖋️　　今年2月上旬的一天，空间站双光子显微镜终于机。坐在中国航天员科研👷练中心看到航天员操作画传回，程和平松了一口气“终于成功了。”　　消-传来，整个团队沸腾了。这辈子能做这么一件事情📒值了！”王爱民至今回忆来仍激动不已。　　鲜为知的是，为了达到航天应🏘️的标准，显微镜经历了一次蜕变。　　精密的显微，要能承受飞船发射时的🚽烈振动，这要求它足够抗。“最初，激光器的核心件被振得粉碎。”北京大🧾未来技术学院助理研究员俊杰记得，为了让显微镜强健筋骨”，他们将激光的核心部件设计为固态结，以增强激光器的机械强🟪，同时在激光器外部增加🍤减震装置，相当于给其上一层保险。　　超维景的队也参与进来。超维景超,激光事业部经理陈燕川介，他们将激光器核心部件于-40℃至80℃的温度下循环试验，使部件在短🕦内反复承受极端高低温变应力以及极端温度交替突的影响，以排查隐患。为确保万无一失，团队还制多组关键部件样品，进行量级、破坏性的振动冲击验，保证显微镜能满足航发射环境各种极端条件的战。　　最终，团队实现多项突破：首次在轨验证验实现了世界上首次双光💖显微镜在轨正常运行，国首次实现飞秒激光器在轨常运行，国际上首次在轨在体观测航天员细胞结构代谢成分信息。　　一个想的启航　　从突破理论究瓶颈，到试水产业蓝海再到支撑国家重大战略需，程和平团队将科技创新底色写在从技术创新到产应用的跃迁中。如今，一👐更宏大的构想正在渐次舒。　　在南京江北新区，立近4年的北大分子医学南京转化研究院(以下简称转化院)，已搭建起高端脑成像的公共技术服务平台“京脑观象台”。后者可以😎供微型化双光子显微镜、灵敏结构光超分辨显微镜高速三维扫描荧光成像系等设备，帮助科研团队获从大脑突触、神经元集群🌚神经环路，再到全脑水平-,-全景式脑功能成像。　　🕋研团队的身后，还有一群与他们并肩作战。　　几每天，实验员陈雪莉都要小鼠注入观测所需的荧光白，对小鼠进行行为训练🔧　　当她为小鼠戴上显微👩🏾‍🤝‍👨🏿探头后，一旁的屏幕上会,即呈现出小鼠大脑的钙活影像。　　“脑观象台有,支技术团队。对于遴选通的研究项目，技术团队会科研团队一起制订实验计，为学者们制备、训练小，采集小鼠的脑活动成像🤛据，再将小鼠的行为学数和脑活动数据匹配，供科人员分析小鼠在表现出某行为时，大脑发生了什么化。”转化院副院长赵婷释，脑观象台希望将学者-从繁琐高难的实验技术细中解放出来，加速从理论😴想到实验发现的进程。　凭借南京脑观象台成像技🎚️的支持，科学家们已经开收获惊喜、成果迭出：小🙆‍♂️有喜新厌旧的行为，而孤♈症小鼠却存在这一行为缺；清醒状态下小鼠癫痫发🎠时，神经元异常放电……　赵婷介绍，如今，脑观台已经服务了100多家单位的180余个课题组，开机时间累计超过2万小时。脑观象台与江北新区联合🌲起的两期“探索计划”，已累计支持48项课题研究。　　十年春华秋实。一在未名湖畔种下的种子，今正在千里之外的扬子江落地生根、开枝散叶，荫全国的脑科学、神经科学-领域的研究。　　40多年前，少年程和平曾在他的记本上写下带有科幻色彩理想——“做一款思维记器”。　　跨越万水千山如今，理想照进现实，中脑科学研究风华正茂。【辑:陈文韬】

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