人類的大腦猶如一個小小的宇宙，包含了百億級神經(jīng)元和百萬億級的神經(jīng)突觸，隱藏著世界上最美麗而又最深邃的奧秘。
所謂工欲善其事，必先利其器。為了能夠進一步揭開大腦的神秘面紗，全球科研人員都在致力于打造用于解析腦連接圖譜和功能動態(tài)圖譜的研究工具：從隨機光學(xué)重建顯微鏡（STORM），到熒光光敏定位顯微鏡（FPALM），再到摘得2014年諾貝爾化學(xué)獎的受激輻射損耗超高分辨率顯微鏡（STED）……探索從未止步。
近日，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然—生物技術(shù)》以在線形式全文發(fā)表了一項來自中國的最新研究成果：北京大學(xué)的陳良怡團隊聯(lián)合華中科技大學(xué)譚山團隊，研發(fā)出一種超靈敏的結(jié)構(gòu)光超高分辨率顯微鏡——海森結(jié)構(gòu)光顯微鏡（Hessian SIM），從而將光學(xué)顯微鏡的性能再度提升到了一個新的高度。
超靈敏 高分辨
分辨率通常被認(rèn)作是光學(xué)顯微鏡的生命，而由我國科學(xué)家自主研發(fā)的海森結(jié)構(gòu)光顯微鏡，堪稱將這一點做到了“極致”。
在每秒鐘得到188張超高分辨率圖像時，海森結(jié)構(gòu)光顯微鏡的空間分辨率可達(dá)85納米，即能夠分辨單根頭發(fā)的1/600~1/800大小結(jié)構(gòu)，而其所需要的光照度卻小于常用的共聚焦顯微鏡光照度3個數(shù)量級。
同時，鑒于極低的光漂白以及光毒性，這款新型顯微鏡還實現(xiàn)了100Hz超高分辨率成像下，連續(xù)采樣10分鐘得到18萬張超高分辨率圖像以及在1Hz超高分辨率成像下，連續(xù)1小時超高分辨率成像基本無光漂白。
也許通過對比更能清晰地展示海森結(jié)構(gòu)光顯微鏡卓越的性能。與2014年摘得諾貝爾化學(xué)獎桂冠的STED顯微鏡相比，這款海森結(jié)構(gòu)光顯微鏡憑借著極高的時間分辨率、極低的光毒性而在活細(xì)胞超高分辨率成像方面呈現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。
舉例來說，在觀察細(xì)胞內(nèi)囊泡與細(xì)胞質(zhì)膜融合釋放神經(jīng)遞質(zhì)和激素這一過程時，雖然海森結(jié)構(gòu)光顯微鏡與STED顯微鏡均可以觀察到囊泡融合形成的孔道，但是前者在此基礎(chǔ)上，還進一步解析出了囊泡融合時的4個不同中間態(tài)：包括囊泡打開3納米小孔、囊泡塌陷、融合孔道維持以及最后的囊泡與細(xì)胞質(zhì)膜完全融合，可謂真正實現(xiàn)了膜孔道形成全過程的可視化。
“除此之外，應(yīng)用海森結(jié)構(gòu)光顯微鏡我們還實現(xiàn)了細(xì)胞‘能量工廠’線粒體的超快超分辨成像，首次在活細(xì)胞中解析了線粒體融合、分裂時內(nèi)嵴的活動，以及線粒體內(nèi)嵴自身的重組裝過程，也能夠觀察活細(xì)胞內(nèi)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體發(fā)生相互作用時的動態(tài)變化。”此項工作的通訊作者之一、北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所研究員陳良怡告訴《科學(xué)新聞》。
而實際上，此前在該領(lǐng)域內(nèi)，無論是STED還是STORM都無法做到這一點，由此更凸顯出超靈敏海森結(jié)構(gòu)光顯微鏡在觀察光毒性敏感的細(xì)胞器如線粒體動態(tài)結(jié)構(gòu)方面的獨特優(yōu)勢。
在研發(fā)團隊看來，海森結(jié)構(gòu)光顯微鏡誕生的意義，一方面在于其是對基于硬件自主設(shè)計的新偏振旋轉(zhuǎn)玻片陣列、高精度的時序控制程序以及高數(shù)值孔徑物鏡的應(yīng)用；另一方面則在于它創(chuàng)新的重構(gòu)算法，即借鑒了人眼區(qū)分信號和噪聲的機制，首次提出將“生物樣本在多維時空上連續(xù)、而噪聲是完全隨機分布”的先驗知識用于構(gòu)建海森矩陣，指導(dǎo)超高分辨率熒光圖像的重建。
目前，超靈敏海森結(jié)構(gòu)光顯微鏡是世界上活細(xì)胞成像時間最長、時間分辨率最高的超高分辨率顯微鏡，適用于各種細(xì)胞、不同探針的熒光成像。
“可以說，所有應(yīng)用掃描共聚焦顯微鏡的場景都可以使用海森結(jié)構(gòu)光顯微鏡，因而其具有廣泛的應(yīng)用前景。”陳良怡介紹道。
屢創(chuàng)新 無止境
在海森結(jié)構(gòu)光顯微鏡研發(fā)成員名單中，我們看到了一組熟悉的名字：陳良怡、黃小帥。而他們也正是榮登“2017年度中國科學(xué)十大進展”的“新一代微型化雙光子熒光顯微鏡”的主創(chuàng)成員。
2013年底，國家重大科研儀器研制項目“超高時空分辨微型化雙光子在體顯微成像系統(tǒng)”正式啟動，其旨在探索如何將下一代的激光、掃描、控制、成像新原理和圖像處理新方法等有機結(jié)合，應(yīng)用于在體熒光成像過程。
之后，北京大學(xué)程和平院士帶領(lǐng)一支包括生物成像技術(shù)專家陳良怡在內(nèi)的跨學(xué)科團隊，整合了光學(xué)儀器研發(fā)、電路控制、生物學(xué)實驗等各方面的力量，調(diào)集關(guān)鍵設(shè)備、確定時間節(jié)點，群策群力、夜以繼日地攻堅作戰(zhàn)，耗時3年多并最終成功“突圍”。
新一代微型化雙光子熒光顯微鏡體積非常小，僅重2.2克，適于佩戴在小動物頭部顱窗上，能夠?qū)崟r記錄數(shù)十個神經(jīng)元、上千個神經(jīng)突觸的動態(tài)信號；而在大型動物上，它還有望實現(xiàn)多探頭佩戴、多顱窗不同腦區(qū)的長時程觀測。
給小鼠戴上這一顯微鏡后，研究團隊經(jīng)多次實驗獲取了小鼠在覓食、打斗、嬉戲等自由行為中大腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動清晰、穩(wěn)定的圖像。“這是我們第一次觀察到自由活動狀態(tài)下的小鼠是‘怎么想的’。”陳良怡介紹。
這一世界成像儀器領(lǐng)域的重大突破，可謂為腦與認(rèn)知科學(xué)、人工智能研究的推進提供了重要工具。也正因如此，它一經(jīng)問世，便迅速震驚了世界。
2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主Edvard I. Moser專門慕名前來，并用“革命性”來形容這一成果；成果在2016年底美國神經(jīng)科學(xué)年會、2017年5月冷泉港亞洲腦科學(xué)專題會議上報告后，更得到多位國內(nèi)外神經(jīng)科學(xué)家的高度贊譽。
無論是新一代微型化雙光子熒光顯微鏡，還是新晉的超靈敏海森結(jié)構(gòu)光顯微鏡，這些在國家重大科研儀器研制上的一個個碩果，都彰顯出這支以年輕PI和碩博研究生為主體、具有學(xué)科交叉背景和核心技術(shù)創(chuàng)新能力的“中國智造”隊伍的強大實力與無限潛力。
對于陳良怡和他的團隊而言，一切只是開始，創(chuàng)新永無止境。“下一步，我們將繼續(xù)攻關(guān)，以期進一步實現(xiàn)微型化海森結(jié)構(gòu)光的顯微在體成像。”陳良怡表示。■