成功了！北大团队世界首次

神州十五号航天员乘组

近日使用由我国自主研制的

空间站双光子显微镜

开展在轨验证实验任务并取得成功

这是目前已知的

世界首次在航天飞行过程中

使用双光子显微镜获取航天员皮肤表皮

及真皮浅层的三维图像‍

这为未来开展航天员在轨健康检测研究

提供了全新工具

也为未来利用中国空间站平台

开展脑科学研究

提供了重要的技术手段

此项目由北京大学程和平院士任总负责人

团队于2022年9月

成功研制空间站双光子显微镜

攻克技术难题

实现零的突破

空间站双光子显微镜对航天员皮肤表层的成像

01 一台看见“生命跃动”的显微镜

人脑包含百亿级神经元和百万亿级的神经突触，其结构和功能上极其复杂精密的连接和相互作用，是意识和思想涌现的物质基础。为了能够清晰地看到活体大脑里面的神经元、神经突触的结构和信号，科学家们需要借助到双光子显微镜。它就像一个高性能的X光机，能够透过大脑和皮肤的组织，看到细胞里面的结构和动态。经过二十多年的发展，双光子显微镜已经成为脑科学研究必不可少的工具。

当代前沿的脑科学研究希望在大脑正常工作时、在自由活动的动物上观察大脑神经元的变化，然而，体积重量庞大的传统双光子显微镜显然难以满足这种在体实时观察神经元信号的需求。

传统台式双光子显微镜系统

中国科学院院士、北京大学国家生物医学成像科学中心主任、北京大学未来科技学院教授程和平说，

如何才能创造出一种显微镜，能够在小动物自由行走的条件下，看到一颗一颗神经元，一闪一闪的动态变化，这是藏在我心底的一个梦想。

2013年，微型化双光子显微镜获得国家自然科学基金委重大科研仪器研制专项的正式立项支持，而在当时，整个世界范围内都没有掌握这项技术的国家。经过三年不懈的努力，2017年，程和平院士带领团队成功研制探头仅重2.2克的微型化双光子显微镜，这款双光子显微镜可以戴在小动物的脑袋上，而科学家可以在长时间的观察中看到学习、记忆、决策等思维的过程。2021年，团队研制的第二代微型化双光子显微镜将成像视野扩大了7.8倍，具备获取大脑皮层上千个神经元功能信号的三维成像能力。科技创新永不止步，面向未来，新一轮的技术革新蓄势待发。

2017年第一代微型化双光子显微镜的探头

2017年第一代微型化双光子显微镜整机

02 一台进入太空的双光子显微镜

在轨实验仪器设备对可靠性、体积、重量、抗冲击和振动性能等有着更苛刻要求，想要研制出能够进入太空的双光子显微镜并非易事。

2019年，在中国载人航天工程办公室大力支持下，由北大程和平、王爱民团队，中国航天员科研训练中心李英贤团队，北京航空航天大学冯丽爽团队联合相关企业及院所组建空间站双光子显微镜项目团队，由程和平担任总负责人。

2022年9月，在“北京大学-南京江北新区‘分子医学协同创新专项基金’”“北京市与中央共建高精尖创新中心事业发展专项计划——空间站双光子显微镜”“国家自然基金重大项目-航天极端环境机体应激与防护”及各单位自筹资金的支持下，项目组通过自主研发多项关键技术，攻克了多项技术难题，最终研制出空间站双光子显微镜。

2022年11月12日，空间站双光子显微镜搭乘天舟五号货运飞船成功运抵中国空间站，成为世界首台进入太空的双光子显微镜。

近日，神舟十五号航天员乘组完成了双光子显微镜的安装、调试和首次成像测试，历时多年，终于成功获取了在轨状态下航天员脸部和前臂皮肤的在体双光子显微图像。

空间站双光子显微镜能以亚微米级分辨率清晰呈现出航天员皮肤结构及细胞的三维分布，具备对皮肤表层进行结构、组分等无创显微成像的能力。成像结果显示，皮肤的角质层、颗粒层、棘层、基底细胞层、真皮浅层等三维结构清晰可辨。团队成员凌树宽介绍，双光子显微成像的信号来源于细胞及胞外基质中具有自发荧光的物质，如NADH（还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）、FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）、角蛋白、黑色素、弹性纤维等，以及胶原纤维产生的二次谐波信号。这些信号有助于实现对航天员细胞线粒体代谢应激反应功能探测。通过对具有自发荧光的细胞代谢产物的量化观测可以反映出航天员机体代谢功能。

图为神十五乘组航天员皮肤的双光子显微成像结果

“空间站双光子显微镜是体现我国高端精密光学仪器制造水平的重要成果。”程和平教授介绍说：‍

此次在轨验证实验实现了多项第一，例如世界上首次实现双光子显微镜在轨正常运行；国内首次实现飞秒激光器在轨正常运行；国际上首次在轨观测航天员细胞结构和代谢成分信息。

“这些不仅为从细胞分子水平开展航天员在轨健康监测研究提供了全新工具和方法，也为未来利用中国空间站平台开展脑科学研究提供了重要的技术手段。”

空间站双光子显微镜项目得到了中国载人航天工程办公室、中国航天员科研训练中心、以及多位专家学者持续给予项目组的专业指导。项目还得到了北京市政府、市教委和南京江北新区的大力支持，本次搭载实验也得到航天员乘组和支撑实验的载人航天系统人员的大力支持。

倾听每一次心脏的跳动、观测每一个细胞的信号，以深耕脑科学研究与关怀全人类的健康为使命，北大团队正在开创新的未来。

来源：北京大学融媒体中心、北京大学未来技术学院、新华社

栏目主编：秦红 文字编辑：程沛 题图来源：新华社 图片编辑：雍凯

来源：作者：北京大学