北大发布能戴小白鼠头上的“微型显微镜” 监控脑细胞

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“新一代小型化双光子荧光显微镜”在脑科学研究的记录层面上改变了观察生物自由活动中细胞和亚细胞结构的方式。它甚至打开了神经元和树突成像之外的大门。

钛媒记者傅

1400克的大脑包含数百亿个神经元和数百亿个突触。这些复杂但精确的联系是思想的起源。

自2013年以来，欧洲、美国和日本相继启动了大脑研究项目。“中国大脑工程”于2015年发布。在了解人类认知神经的基础上，中国脑科学项目有两个研究方向:探索脑秘密和克服脑疾病的脑科学研究；面向人工智能技术建立和发展的类脑研究。

在此背景下，北京大学于5月31日发布了新一代小型化双光子荧光显微镜，该显微镜由北京大学分子医学研究所、信息科学与技术学院、动态成像中心、生命科学学院、技术学院和解放军军事医学科学院组成的跨学科团队研制而成。

该项目于三年前启动，并以7200万元的资金支持被列入国家基金重大科研仪器设备发展专项。

新一代小型化双光子荧光显微镜仅重2.15克，适合戴在小动物的颅骨窗口，实时记录数十个神经元和数千个突触的动态信号。脑规划研究主要集中在四个层面:记录技术、刺激技术、分析技术，以及各种技术在脑功能和行为发展中的应用；小型化双光子荧光显微成像技术改变了在记录水平上观察生物自由活动中细胞和亚细胞结构的方式。

图为小型化双光子荧光显微镜的设计和组装(该研究论文发表于5月29日《自然》杂志的子刊《自然方法》上，相关技术文件同时在协议交换中发表，并已申请多项专利。(

"它在小型化、分辨率和成像速度方面处于国际领先地位."北京大学分子医学研究所程和平院士表示，该显微镜采用双轴对称高速微机电系统旋转镜扫描技术，成像帧频达到40hz(256*256像素)，多区域随机扫描，每秒万行。线扫描能力；自主研发设计的光子晶体光纤可以实现920纳米激光传输；荧光信号由自行研制的柔性光纤束接收，避免了动物移动时荧光传输电缆被拖动和干扰的问题。

为了让实验者更好地操作，R&D团队建立了一个一站式显微成像平台，它不仅是一个双光子显示镜，还可以观察老鼠的行为，收集和接收荧光信号。与单光子激发相比，双光子激发具有更好的光学断层和更深的生物组织穿透，横向分辨率达到0.65 μ m

“过去，成像实验只能在动物被固定时进行，这不仅限制了动物的行为，也限制了研究领域。不能研究动物肢体参与的行为。”R&D人员向钛媒体介绍。

新研制的显微镜可用于自由活动动物的研究，并可在悬尾实验、社会实验和老鼠从高空跳下时获得高分辨率、稳定的神经活动图像。在觅食、哺乳、跳台、大豆、嬉闹和睡眠等自然行为条件下，可以长时间观察突触、神经元、神经网络和远程连接脑区的动态变化。

脑科学研究是一个试图揭示自然智能规律的过程，但目前的人工智能大多是模仿或转化自然智能，仍处于人工智能的弱势状态，需要更多的计算来进行深度学习。

人工智能由弱变强的关键是向生物大脑学习。“例如，学习一件事是一个有条件学习的过程。在这个过程中，不可能知道在神经回路中发生了什么变化，但是在显微镜下可以看到，在执行某一行为的过程中，某一回路在不同的水平和不同的特征上发生了变化。”

尽管阿尔法戈一次又一次地击败了围棋大师，但具有硅基属性的计算机仍然无法与人类大脑相匹敌——人类大脑是目前唯一真正的智能系统。受大脑启发的人工智能的最终挑战是理解人类的认知过程。

"它打开的大门甚至超越了神经元和树突成像."美国著名神经科学家阿尔辛诺·j·席尔瓦教授在评论中说:“通过对细胞群中可识别细胞和亚细胞结构的复杂生物事件进行成像和观察，我们可以更深入地了解进化创造的大脑回路的核心工程原理，从而实现复杂的行为。”

谈到商业应用的前景，程和平院士感慨地说:“反响比我们想象的要热烈。”

程院士在2016年12月神经科学年会和2017年5月冷泉港亚洲脑科学研讨会上介绍了该产品。现在许多团队已经联系并合作。在北京大学的支持下，R&D团队还成立了“北京超伟晶生物科技有限公司”，目前由天使轮投资，协同创新基金和中科创新共同投资，将在技术成熟的条件下实现项目的产业化。

R&D团队告诉钛媒体，他们的下一个关键计划是开发显微镜的2.0版，并通过结合光遗传学技术、图像不相关校正和其他技术来改进显微镜的小型化探头，从而进一步提高分辨率和成像速度等更深层次的要求。(本文是第一钛媒体记者/傅)