脑成像技术：更深、更快、更灵活

　　随着脑科学研究的不断深入，对脑成像技术提出了更高的要求。在成像深度方面，需要能够对皮层下方如海马体、丘脑、下丘脑等更深处的脑区进行成像；成像速度上，要足够快以记录神经元的快速活动；装置灵活性方面，期望有更小的成像装置以便对运动动物进行灵活成像。这些需求促使研究人员对多光子显微镜不断进行创新与改进，以提升其性能。在近日以“新纪天工 开物焕彩——洞见生命力”为主题的重大科技成就发布会上，我们听到了程和平院士团队在脑成像技术上不断突破极限的科研故事。

　　新型举国体制，助力高水平科技自立自强

　　传统的台式双光子显微镜非常笨重，足有房间那么大，只能观察头部固定的动物或者动物的脑切片。显然这样的科研仪器难以支撑脑科学的研究，“更深、更快、更灵活”的脑成像技术一时间成为各国竞相追逐的科研热点。在新型举国体制下，程和平院士迅速集结了来自机械、光学、生物、电路等研究领域的师生，有人研究超快激光器，有人专攻高速电路，有人擅长图像处理，有人能做大数据......一场跨越山海的科技探索之旅开始了，为了实现对自由活动动物大脑高清成像，必须为双光子显微镜“瘦身”。

　　图1 第四代多色成像的微型化双光子显微镜观测阿尔茨海默症小鼠神经元

　　以“十年磨一剑”的韧劲，联合攻关脑成像技术

　　北京大学未来技术学院助理研究员赵春竹在成就发布时表示：为实现“更深、更快、更灵活”的脑成像技术，北京大学研发团队自2013年开始超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统的研发，从首代2.2g微型化双光子，成像帧率达到40 Hz，到3D大视场微型化双光子，到深脑成像微型化三光子,成像深度达1.2 mm，再到如今的第四代多色成像的微型化的双光子显微镜。国际上首次获取自由行为小鼠神经突触活动清晰、稳定的图像，实现对自由行为小鼠的大脑全皮层和海马神经元功能成像，为研究大脑神经机制提供了尖端利器。

　　图2 航天员在轨皮肤健康监测的空间站双光子显微镜

　　科研仪器国产化突围，带动基础研究和产业发展“双向奔赴”

　　程和平院士在为成就推介时表示：“微型化多光子显微镜被誉为脑科学领域的一个革命性的工具，中国团队攻克了一系列的技术难题，包括飞秒光纤激光器及其小型化、柔性传输、微型物镜等。目前已经研制出多种型号，包括微型化双光子显微镜、微型化三光子显微镜，还有为空间站航天员在轨皮肤健康监测而量身定制的空间站双光子显微镜。并且，医疗版的手持式双光子显微镜，已获得了创新医疗器械审批，是中国首款基于双光子原理的医疗器械。未来这些产品可以辅助医生在几秒内获得活细胞及其生理环境中的组织结构详细信息，具有实时、无创、动态的辅助诊断优势，为患者和医生带来前所未有的便利。”(国家科技传播中心）