厉害了，新区！ 空间站双光子显微镜登上中国空间站

本报讯 近日，神舟十五号航天员乘组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。

此次在轨验证实验的空间站双光子显微镜项目团队，正是由中国科学院院士、北京大学教授、北京大学分子医学南京转化研究院院长程和平担任总负责人，北京大学分子医学南京转化研究院及其孵化企业超维景参与其中。这个自研仪器，为未来开展航天员在轨健康监测研究提供了全新工具。

双光子显微成像技术是基于双光子吸收及荧光激发的一种非线性光学成像技术，具有高分辨率、强三维层析能力、大成像深度、在体无创无标记的特点，并且可以特异性激发胶原纤维的二次谐波信号，特别适合对活体生物组织进行结构和功能的在体无创显微成像。

但由于传统的双光子显微镜整机系统庞大，不能满足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的苛刻要求，此前国际上还未能实现双光子显微成像技术在空间站上的在轨运行与应用。

2017年，由北京大学国家生物医学成像科学中心主任程和平院士领导的研究团队突破双光子显微镜微型化的多项核心技术，成功研制探头仅重2.2克的高时空分辨微型化双光子显微镜，为空间站双光子显微镜的开发奠定了基础。

2019年，在中国载人航天工程办公室大力支持下，北京大学程和平、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北京大学分子医学南京转化研究院赵婷团队、北京超维景生物科技有限公司及河南平原光电有限公司组建了中国空间站双光子显微镜项目团队。历时近三年，项目组通过自主研发多项关键技术，攻克了多项技术难题，最终于2022年9月研制成功空间站双光子显微镜。

据项目团队成员王俊杰博士介绍，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，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。

据了解，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。

此外，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，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。

“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。”程和平表示，本次任务创造了多项第一：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，国际上首次通过皮肤观测到航天员在轨机体细胞结构和代谢成分相关信息等。“这不仅为航天医学领域从细胞分子水平开展航天员在轨健康监测研究提供了新工具和新方法，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。”

不止这一来自空间站的好消息，2月24日，北京大学分子医学南京转化研究院程和平院士团队最新研制的一款重量仅为2.17克的微型化三光子显微镜，首次实现了对自由行为中小鼠的大脑全皮层和海马神经元功能成像，为揭示大脑深部结构中的神经机制开启了新的研究范式。

据介绍，此次新研制的微型化三光子显微镜一举突破了此前的成像深度极限：显微镜激发光路可穿透小鼠大脑皮层和胼胝体，实现对小鼠海马CA1亚区的直接观测记录，神经元钙信号最大成像深度可达1.2毫米，血管成像深度可达1.4毫米。

这一成像深度的突破得益于该显微镜全新的光学构型设计，使散射荧光收集效率实现了成倍提升。此外，该显微镜还可长时间、不间断地观测神经元功能活动而不产生明显的光漂白与光损伤。

利用该显微镜，程和平团队研究了小鼠大脑顶叶皮层第六层神经元在抓取糖豆过程中的编码机制，发现约37%的神经元在抓取动作之前就开始活跃且在抓取时最活跃，约5.6%的神经元在抓取动作后开始活跃。

“这显示出不同神经元参与了不同阶段的编码，也初步展示了微型化三光子显微镜在脑科学研究中的应用潜力。”程和平表示，这一成像技术为人类更深入探寻大脑的奥秘、揭秘脑功能连接图谱提供了重要工具。

2019年，北京大学分子医学南京转化研究院落地江北新区，这是新区和北大共同打造的校地合作科研成果转化基地。转化院围绕高端生物医学成像装备和重大疾病创新药物两大研发方向，搭建高端脑成像和新药研发为主体的公共技术服务平台，近年来，其孵化企业和其瑞医药、超维景等已在新区开启了产业转化项目，加速科研成果驶入产业化。

据北京大学分子医学南京转化研究院副院长赵婷介绍，本次空间站双光子显微镜项目以及微型化三光子显微镜的重要突破，背后都离不开新区的大力支持。

近年来，江北新区与北京大学的合作不断深化，除合作共建北京大学分子医学南京转化研究院外，江北新区还是国内第一个与未来技术学院开展深度合作的地区，通过不断深化与北京大学的合作，共同探索了校地一体化研发合作新模式，实现重大基础科研成果与应用开发一体化推进。

通讯员 新区轩