被習近平總書記點讚的科學家——程和平院士專訪

程和平院士專訪

2018年5月2日，北京大學120週年校慶前夕，習近平總書記在考察北京大學期間參觀了多模態微型化雙光子顯微鏡整機，聽取了項目負責人程和平院士的介紹和彙報，並給予高度評價。近日，程和平院士接受《中國科學: 生命科學》專訪，回顧這一成果的研發歷程，講述了從技術創新到產品、再到規模化高通量平臺的“三級跳設想”。程和平認爲，在國家級大儀器項目的指導下，用原創性大儀器平臺促進大科學發展的科學研究轉型正在中國發生。

在生物醫學領域, 成像技術是最重要的技術手段之一, 它讓研究者能夠觀察到組織和細胞內正在發生的過程, 爲各項研究提供直接而確切的證據. 傳統的單光子熒光顯微鏡用單個光子將熒光分子激發到激發態, 進而產生可被觀測的熒光, 而發明於1990年的雙光子顯微鏡則是用兩個光子來激發同一個熒光分子.與單光子顯微鏡相比, 它所使用的激光波長更長(單個光子的能量更小), 具備更高的組織穿透性和更小的光毒性. 此外, 雙光子的激發能力與能量密度的平方成正比, 因此只有位於焦平面上的熒光分子才能被激發, 產生的光學斷層效應可以有效提高成像的縱向分辨率. 這些優點使雙光子顯微鏡更適合觀測厚度較大的生物樣品,在腦科學等領域中具有獨特的優勢.

2017年, 中國科學院院士、北京大學分子醫學研究所教授程和平領銜的跨學科團隊實現了雙光子顯微鏡核心部件的微型化, 將原本幾百公斤的儀器縮減爲幾十公斤的組合體, 核心部件縮減至2.2克, 成爲可被自由活動的小鼠戴在頭上的觀測利器(圖1, 2). 這一成果是生物醫學成像技術的重大突破, 也是我國科學家在自主研發大型儀器方面取得的重大進展.

圖1多模態微型化雙光子顯微鏡整機

圖22.2g微型雙光子熒光顯微鏡

《中國科學: 生命科學》: 您是如何提出“微型化雙光子顯微鏡”這一研究項目的?

程和平: 世界上第一臺雙光子顯微鏡由美國康奈爾大學WinfriedDenk和Watt W. Webb在1990年研製成功, 在那之後的兩年, 我和雙光子顯微鏡開始結緣. 當時我在美國讀博士, 有機會到康奈爾大學使用世界上第二臺雙光子顯微鏡進行了心肌細胞中線粒體的熒光成像, 拍到了一些非常經典的照片.

雙光子顯微鏡有很多優點, 但是非常昂貴, 而且十分嬌氣、難以維護. 由於我當時的研究主題是鈣火花, 而雙光子顯微鏡一時沒有合適的熒光染料可對它進行觀察,因此在那之後的很多年, 我沒有再使用過雙光子顯微鏡.

雙光子顯微鏡微型化工作最早的嘗試是在2012年前後. 當時單光子顯微鏡已經實現了微型化, 我意識到雙光子顯微鏡的微型化將是一項很有意義的工作, 於是就請一位北京大學信息科學技術學院的本科國防生在他的畢業設計中做了這一課題. 這名學生花了一年的時間, 做出一個質量爲100多克的探頭. 雖然只是一個很粗糙的產品, 也沒有實現成像. 但這位名叫宗偉健的國防生, 後來成爲我們研究團隊中的主力.

2013年, 國家自然科學基金委員會啓動了國家重大科研儀器研製項目. 在基金委有關領導的鼓勵下, 我們申請了微型化高分辨率雙光子顯微鏡項目, 經過同行專家評審、學部諮詢委員會評審、專家委員會答辯評審和專家現場考察等程序, 我們獲得了7200萬元人民幣的支持. 可以說, 如果不是基金委的頂層設計, 我不會離開自己原本的研究領域, 來組建這樣一個跨學科的大團隊, 並且完成這一工作.

《中國科學: 生命科學》: 這個跨學科的大團隊是如何組建起來的?

程和平: 北大是一所綜合性的大學, 爲跨學科團隊的組建提供了很多便利. 同時, 我個人的背景又比較交叉, 我在北大有三個“孃家”, 力學系(現工學院)和生物系(現生命科學學院)都讀過書, 後來又在無線電系, 也就是現在的信科院做過兩年助教. 這三個院系都爲這個項目提供了巨大的支持. 當然, 除了北大, 我們也聯合了來自中科院自動化所、計算所、北航、華中科大等單位的人才, 最後組建了一個非常交叉的隊伍, 團隊裏有做激光器的、做微馬達的、做射頻電路的、做圖像處理的、做大數據分析的、做生物的等等.

北大還給了我們在招生方面的支持, 除了博士生名額, 研究生院給了我們每年三個專業碩士的名額. 利用這些名額, 我們招到了不少各領域中的高手, 包括在國際機器人大賽中獲獎的優秀人才. 這些學生都在我們的研發過程中起到了關鍵作用.

而北大給我們提供的最大支持來自我任教的分子醫學研究所,研究所提供了一個約300平米的研究空間, 使我們這些不同專業背景的人, 能夠在一個屋檐下共同學習、共同工作, 爲了一個目標而共同努力, 我把它叫做“大儀器聯合實驗室”. 沒有這個場所、沒有這支隊伍, 就不會有最後的成果.

《中國科學: 生命科學》: 研發過程中遇到的主要困難有哪些?

程和平: 主要的困難有兩個: 第一, 我們缺少自主研發系統性設備的經驗, 第二, 技術路線的不確定性.

我們團隊中的所有人都缺少從頭研製系統性科研設備的經驗.沒經驗就要學習, 所以我定下了“請進來, 走出去”的策略. 我們把世界上最有經驗的人請過來做報告, 請他們看我們做的東西, 然後討論聽取他們的意見. 在大概一年時間裏, 我們先後邀請了十幾位專家. 不只是外國的專家, 國內大連化物所的楊學明研究員在這方面很有經驗, 在項目管理等方面給了我們很多幫助.

此外, 我們還要“走出去”. 我、陳良怡、周專等人, 到美國、歐洲的很多研究機構去請教和學習. 我們每去一個地方, 都會在當天晚上寫好總結, 發給整個團隊來共同學習. 在項目的前兩年, 有記錄的學習和交流就有一百多次. 我們花了很大的功夫來彌補經驗上的不足. 我常跟他們說, 我是抱着重新從幼兒園開始讀一個博士學位的心態來做這件事的.

在我們走出去的過程中, 很多世界頂級的專家都認爲我們的目標是不可能實現的, 比如斯坦福大學單光子微型化專家. 因爲, 包括雙光子顯微鏡的發明者Denk在內, 已經有一些人嘗試過對它進行微型化, 但是都沒有得到兼顧重量和分辨率, 能夠走出實驗室的成果. 所以, 這個項目確實是有難度的, 它的技術路線具有不確定性.

所以, 我們選擇了並行的研究策略: 有人做微型化、有人做超分辨, 有人做超快, 還有人做超深. 最後再把各個路線的探索結果創造性地集成起來, 纔得到最終的2.2克. 在這個過程中, 是7200萬資金給了我們試錯的資本和底氣. 一個創新性的工作, 一定要允許試錯纔可能成功.

事實上, 除了核心成果微型化雙光子顯微鏡, 我們的各個技術路線上都結出了碩果. 在超快領域, 我們發明了快速掃描雙光子光片顯微鏡, 它是世界上第一個三軸掃描式的光片顯微鏡. 在超深領域, 我們搭建的三光子顯微鏡可以看到近2毫米的深度. 在超分辨領域, 我們最近發表的超靈敏超分辨結構光顯微鏡是非常出色的成果. 在超大視場領域, 我們也有成果產出, 即將投稿.

《中國科學: 生命科學》: 核心成果“微型化高分辨率雙光子顯微鏡”實現了哪些突破？

程和平: 最主要的突破就是微型化的實現. 我們把幾十公斤重的雙光子顯微鏡核心部件集合到了2.2克, 其中包括成像、掃描和收集部分, 在另一個版本中, 也可以包括探測部分. 這其中, 我們完成了對高性能透鏡組等關鍵部件的微型化設計、製造和集成, 取得了突破性的進展；此外, 920納米全正色散摻釹飛秒光纖激光器是我們在國際上首次實現; 而專用傳導此波段飛秒光束的空心晶體光纖等部件也是我們自主設計和定製的.

920納米波長的激光能夠有效激發GFP, GCaMPs等常見熒光標記分子, 在雙光子顯微成像中應用廣泛. 920納米光纖激光器能夠產生優質的飛秒激光脈衝, 而在激光脈衝通過空心晶體光纖傳輸到微型化探頭的過程中,我們的光纖相當於做成了一個柔性可變的空氣通道, 能夠在最大程度上保持激光脈衝傳輸過程中不畸變不損耗.

在我們的技術之前, 雙光子顯微鏡只能觀察死的、麻醉的或者固定的動物. 而現在, 經過訓練的小鼠可以戴着只有2.2克的探頭自由活動(圖3). 我們可以在不影響實驗動物生活質量的前提下, 對自由狀態下實驗動物的大腦進行長時間的觀測, 分辨率達到細胞, 甚至是突觸的水平. 此外, 對於大鼠或者體型更大的實驗動物, 我們還可以對一個個體進行多探頭的觀測, 可以對不同腦區之間的遠距離相互作用進行研究.

在腦科學研究中, 在真實場景中對活動中的動物大腦進行觀測非常重要, 所以, 我們的技術將可以爲腦科學的發展提供巨大的推動力.

圖3實驗中的小鼠及腦成像照片

《中國科學: 生命科學》: 是否已經有實驗室在應用此項技術開展研究?

程和平: 這項成果花費了鉅額經費和巨大的精力, 不應該只以發表文章爲目的, 而應該被廣泛應用, 真正產生影響力, 推動科學的進步. 目前, 德國和挪威的兩個實驗室在使用我們的核心裝置, 其中2014年諾貝爾獎得主Edvard Moser的實驗室已經完成了一項不錯的工作, 初步結果投在美國神經科學大會交流. 此外, 德國的一個醫院以及國內的三四個實驗室都已經在應用我們的技術.

《中國科學: 生命科學》: 爲推動這項技術的進一步實用化, 您的團隊做了哪些工作?

程和平: 我對這項技術有一個“三級跳”的設想. 第一跳是技術創新, 這一點已經基本完成；第二跳是把技術轉化爲產品, 也就是通用化的儀器；第三跳是基於產品的大規模高通量平臺, 這個平臺將可以改變整個腦科學研究的範式.

爲了實現“第二跳”, 將實驗室裏的原型機轉化爲產品, 我們成立了一個超微型的小公司. 公司設在中關村智造大街, 名叫“超維景”, 經過一年多時間, 公司目前已可以生產整機, 但是在真正實現銷售之前, 我們還希望再多做一些優化, 使生產出的儀器具有更高的可靠性和穩定性. “超維景”的創立得到了幾家投資公司的投資, 也在專利使用等方面得到了北大的支持. 我們希望“超維景”生產的儀器能夠得到科學家的認可, 使我們開發的技術在腦科學領域中發揮影響力.

而“第三跳”的設想, 是受到了基因測序的啓發. 測序領域的技術創新正是通過規模化的方式, 纔對整個生命科學領域產生革命性的影響. 規模化的發展策略特別適合複雜的科學問題, 而腦科學正是如此. 一個規模化的微型化雙光子顯微鏡實驗平臺, 將可以成爲腦科學研究中的超級工具, 改變腦科學研究的範式: 在提高研究效率和數據質量的同時, 也爲重要的大科學問題提供支持.

爲此, 我們已經和南京江北新區建立了合作. 江北新區將提供數億資金, 支持我們建立一個百臺規模的高通量平臺. 除了資金密集的特點, 這個平臺也將是技術密集和人才密集的. 每一臺儀器都需要技術員來進行操作和維護, 此外還需要實驗動物相關、大數據分析相關的人才團隊, 以及對整個平臺進行統籌的管理團隊. 我們把這個平臺命名爲叫做“腦觀測臺”, 英文是Brain Observatory. Observatory是天文學研究中的“天文臺”, 而大腦就是小宇宙.

除了南京的腦觀測臺, 在懷柔科學城正在籌建的多模態跨尺度生物醫學成像設施裏, 我們的技術也將得到應用. 懷柔科學城是國家戰略工程, 國家發改委牽頭“十三五”基礎科學大設施, 該成像設施正是十項優先建設項目之一, 也是生物醫學領域中的唯一項目.

《中國科學: 生命科學》: 這項技術和近年來不斷湧現的其他新技術, 將如何影響生命科學的研究範式?

程和平: 生命科學是一門極其複雜的科學. 在時間尺度和空間尺度上, 生物體都橫跨十個量級以上. 在自然科學領域, 最難研究的, 除了極微和極大, 就是極複雜. 在過去, 生命科學研究常常是手工作坊式的, 以實驗室爲單位, 研究一個個具體的科學問題. 而近幾十年中各種新型技術和儀器的湧現, 提示我們需要在思維上有所突破, 要向大科學的格局進行轉變. 大儀器、大平臺、大數據, 都將幫助我們從全景式的角度來看待生命科學, 並且對真正重要的大科學問題進行解答.

當然, 小儀器、小項目的傳統式研究依然是重要的. 需要強調的是, 許多小項目合在一起並不能等同於一個大項目, 所以國家層次上的大科學計劃是必要和重要的.

《中國科學: 生命科學》: 超微型雙光子顯微鏡項目爲我國的儀器研發積累了哪些經驗？我國的科研原創能力如何提升?

程和平: 在團隊的組建和管理等方面, 這個項目的許多經驗是值得適當推廣的. 中國現在科技論文的發表數量已位居世界第二, 但我們真正做到世界頂尖的領域依舊極少. 大多數情況下, 我們都是在其他人開闢的田地裏耕種, 極少能開闢自己的領域.

但國家已經意識到了這些問題, 並且給了很大的支持, 支持原始創新. 要做出原創性的工作, 首先要有人力、物力和財力的投入, 足夠的投入才能提供足夠的容錯空間, 給原創性工作提供土壤. 其次需要的就是時間, 任何成果的產生都需要時間. 創新環境和文化的培養需要時間, 只看文章而不要求紮實工作的評價風氣也需要時間來逐漸糾正. 我認爲, 現在國家的引導方向是正確的, 只要能有足夠的耐心並且堅持下去, 情況一定會越來越好.

《中國科學: 生命科學》: 對於年輕的科研人員, 您有哪些建議?

程和平: 我們這個項目產出了很多成果, 但最重要的成果就是我們的團隊——一羣年輕人(圖4). 他們在這麼年輕的時候就參與了一個重要的項目, 並且從中學到了做科學研究的正確方法, 他們的未來發展是不可限量的.

我希望大家能夠多去研究各個領域內的核心問題, 做出真正能夠沉澱下來的工作. 另外, 雖然說做研究要基於個人興趣, 但在某些時候, 如果能夠把個人興趣和國家需求結合起來, 從更高的角度來選擇研究方向, 將可以得到更好的研究成果. 超微型雙光子顯微鏡的成果就是這樣產生的.