神舟十五號(hào)航天員乘組近日使用由我國(guó)自主研制的

空間站雙光子顯微鏡

開展在軌驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)任務(wù)并取得成功

這是目前已知的

世界首次在航天飛行過(guò)程中

使用雙光子顯微鏡獲取航天員皮膚表皮

及真皮淺層的三維圖像

這為未來(lái)開展航天員在軌健康檢測(cè)研究

提供了全新工具

也為未來(lái)利用中國(guó)空間站平臺(tái)

開展腦科學(xué)研究

提供了重要的技術(shù)手段

此項(xiàng)目由北京大學(xué)程和平院士任總負(fù)責(zé)人

團(tuán)隊(duì)于2022年9月

成功研制空間站雙光子顯微鏡

攻克技術(shù)難題

實(shí)現(xiàn)零的突破

十五乘組在軌使用雙光子顯微鏡

空間站雙光子顯微鏡對(duì)航天員皮膚表層的成像

一臺(tái)看見“生命躍動(dòng)”的顯微鏡

人腦包含百億級(jí)神經(jīng)元和百萬(wàn)億級(jí)的神經(jīng)突觸，其結(jié)構(gòu)和功能上極其復(fù)雜精密的連接和相互作用，是意識(shí)和思想涌現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。為了能夠清晰地看到活體大腦里面的神經(jīng)元、神經(jīng)突觸的結(jié)構(gòu)和信號(hào)，科學(xué)家們需要借助到雙光子顯微鏡。它就像一個(gè)高性能的X光機(jī)，能夠透過(guò)大腦和皮膚的組織，看到細(xì)胞里面的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)。經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，雙光子顯微鏡已經(jīng)成為腦科學(xué)研究必不可少的工具。當(dāng)代前沿的腦科學(xué)研究希望在大腦正常工作時(shí)、在自由活動(dòng)的動(dòng)物上觀察大腦神經(jīng)元的變化，然而，體積重量龐大的傳統(tǒng)雙光子顯微鏡顯然難以滿足這種在體實(shí)時(shí)觀察神經(jīng)元信號(hào)的需求。

傳統(tǒng)臺(tái)式雙光子顯微鏡系統(tǒng)

中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)國(guó)家生物醫(yī)學(xué)成像科學(xué)中心主任、北京大學(xué)未來(lái)科技學(xué)院教授程和平說(shuō)：如何才能創(chuàng)造出一種顯微鏡，能夠在小動(dòng)物自由行走的條件下，看到一顆一顆神經(jīng)元，一閃一閃的動(dòng)態(tài)變化，這是藏在我心底的一個(gè)夢(mèng)想。

2013年，微型化雙光子顯微鏡獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委重大科研儀器研制專項(xiàng)的正式立項(xiàng)支持，而在當(dāng)時(shí)，整個(gè)世界范圍內(nèi)都沒有掌握這項(xiàng)技術(shù)的國(guó)家。經(jīng)過(guò)三年不懈的努力，2017年，程和平院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成功研制探頭僅重2.2克的微型化雙光子顯微鏡，這款雙光子顯微鏡可以戴在小動(dòng)物的腦袋上，而科學(xué)家可以在長(zhǎng)時(shí)間的觀察中看到學(xué)習(xí)、記憶、決策等思維的過(guò)程。2021年，團(tuán)隊(duì)研制的第二代微型化雙光子顯微鏡將成像視野擴(kuò)大了7.8倍，具備獲取大腦皮層上千個(gè)神經(jīng)元功能信號(hào)的三維成像能力。科技創(chuàng)新永不止步，面向未來(lái)，新一輪的技術(shù)革新蓄勢(shì)待發(fā)。

2017年第一代微型化雙光子顯微鏡的探頭

2017年第一代微型化雙光子顯微鏡整機(jī)

一臺(tái)進(jìn)入太空的雙光子顯微鏡

在軌實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備對(duì)可靠性、體積、重量、抗沖擊和振動(dòng)性能等有著更苛刻要求，想要研制出能夠進(jìn)入太空的雙光子顯微鏡并非易事。

2019年，在中國(guó)載人航天工程辦公室大力支持下，由北大程和平、王愛民團(tuán)隊(duì)，中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心李英賢團(tuán)隊(duì)，北京航空航天大學(xué)馮麗爽團(tuán)隊(duì)聯(lián)合相關(guān)企業(yè)及院所組建空間站雙光子顯微鏡項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，由程和平擔(dān)任總負(fù)責(zé)人。

2022年9月，在“北京大學(xué)-南京江北新區(qū)‘分子醫(yī)學(xué)協(xié)同創(chuàng)新專項(xiàng)基金’”“北京市與中央共建高精尖創(chuàng)新中心事業(yè)發(fā)展專項(xiàng)計(jì)劃——空間站雙光子顯微鏡”“國(guó)家自然基金重大項(xiàng)目-航天極端環(huán)境機(jī)體應(yīng)激與防護(hù)”及各單位自籌資金的支持下，項(xiàng)目組通過(guò)自主研發(fā)多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，攻克了多項(xiàng)技術(shù)難題，最終研制出空間站雙光子顯微鏡。

2022年11月12日，空間站雙光子顯微鏡搭乘天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船成功運(yùn)抵中國(guó)空間站，成為世界首臺(tái)進(jìn)入太空的雙光子顯微鏡。

近日，神舟十五號(hào)航天員乘組完成了雙光子顯微鏡的安裝、調(diào)試和首次成像測(cè)試，歷時(shí)多年，終于成功獲取了在軌狀態(tài)下航天員臉部和前臂皮膚的在體雙光子顯微圖像。

空間站雙光子顯微鏡能以亞微米級(jí)分辨率清晰呈現(xiàn)出航天員皮膚結(jié)構(gòu)及細(xì)胞的三維分布，具備對(duì)皮膚表層進(jìn)行結(jié)構(gòu)、組分等無(wú)創(chuàng)顯微成像的能力。成像結(jié)果顯示，皮膚的角質(zhì)層、顆粒層、棘層、基底細(xì)胞層、真皮淺層等三維結(jié)構(gòu)清晰可辨。團(tuán)隊(duì)成員凌樹寬介紹，雙光子顯微成像的信號(hào)來(lái)源于細(xì)胞及胞外基質(zhì)中具有自發(fā)熒光的物質(zhì)，如NADH（還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸）、FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸）、角蛋白、黑色素、彈性纖維等，以及膠原纖維產(chǎn)生的二次諧波信號(hào)。這些信號(hào)有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)航天員細(xì)胞線粒體代謝應(yīng)激反應(yīng)功能探測(cè)。通過(guò)對(duì)具有自發(fā)熒光的細(xì)胞代謝產(chǎn)物的量化觀測(cè)可以反映出航天員機(jī)體代謝功能。

圖為神十五乘組航天員皮膚的雙光子顯微成像結(jié)果“空間站雙光子顯微鏡是體現(xiàn)我國(guó)高端精密光學(xué)儀器制造水平的重要成果。”程和平教授介紹說(shuō)：此次在軌驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)第一，例如世界上首次實(shí)現(xiàn)雙光子顯微鏡在軌正常運(yùn)行；國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)飛秒激光器在軌正常運(yùn)行；國(guó)際上首次在軌觀測(cè)航天員細(xì)胞結(jié)構(gòu)和代謝成分信息。

“這些不僅為從細(xì)胞分子水平開展航天員在軌健康監(jiān)測(cè)研究提供了全新工具和方法，也為未來(lái)利用中國(guó)空間站平臺(tái)開展腦科學(xué)研究提供了重要的技術(shù)手段。”

空間站雙光子顯微鏡項(xiàng)目得到了中國(guó)載人航天工程辦公室、中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心、以及多位專家學(xué)者持續(xù)給予項(xiàng)目組的專業(yè)指導(dǎo)。項(xiàng)目還得到了北京市政府、市教委和南京江北新區(qū)的大力支持，本次搭載實(shí)驗(yàn)也得到航天員乘組和支撐實(shí)驗(yàn)的載人航天系統(tǒng)人員的大力支持。

傾聽每一次心臟的跳動(dòng)、觀測(cè)每一個(gè)細(xì)胞的信號(hào)，以深耕腦科學(xué)研究與關(guān)懷全人類的健康為使命，北大團(tuán)隊(duì)正在開創(chuàng)新的未來(lái)。