“2.2克的国之‘重’器”

       对于人类来说，大脑一直是个神秘的“黑盒”。新形势下，脑科学研究已经成为未来的颠覆性技术，同时也是新兴战略性产业“发源地”。大脑工作的原理是什么？蕴含着怎样的奥秘？这些问题一直困扰着人们，同时也吸引着大量学者和科研人员不断探索，而这样的探索离不开技术和平台的支撑，南京脑观象台的成立恰逢其时。

     “南京脑观象台是程和平院士提出的一个新的研究范式，也是依托于2.2克微型双光子显微镜这一国之重器建立的技术平台。”在张立风看来，脑观象台在科研范式上有着非常大的突破。在过去, 生命科学研究常常以实验室为单位, 研究一个个具体的科学问题。“近些年生物医学的发展, 提示我们需要在思维上有所突破, 要向大科学的格局进行转变。当遇到多学科交叉或多方合作之后，就需要不同的团队提供专业的技术支撑。”

       以数据分析为例，张立风介绍，北大分子转化院专门组建数据分析工厂，在科研过程中产生的海量数据，由数据工厂进行标准化流程分析。课题预研、成像信息采集、跨学科交流……在北大分子转化院，研发的每个环节都由专业的技术团队执行，极大提高了科研的效率和专业性，产生“1+1>2”的效果。“这样的研究范式可以帮助我们从全景式的角度来看待生命科学, 并且对真正重要的大科学问题进行解答。”张立风说道。

      “创新力来源于对未知的好奇”

       人类大脑包含了千亿级神经元和百万亿级的神经突触。要揭开大脑的神秘面纱，成像技术是关键。“2.2克微型双光子显微镜，绝对是从0到1的突破！”张立风表示，单光子微型化显微镜成像只需要生物学、电子学和光学的结合就可以达到，难度较低，而双光子微型化显微镜最大的挑战是微型化，突破了，就是质的改变。

图1 | FHIRM-TPM 2.0小鼠佩戴实物图

     “传统的双光子显微镜只能观察麻醉的或者固定的动物，且设备大多数体积较大，一些相对较轻的设备成像质量差，成像速度不理想，无法快速捕捉脑部神经元的活动。”张立风说，北大分子研发的微型双光子成像技术，将传统双光子显微镜中的核心零部件，都浓缩在一个仅有2.2克重的微小部件中。经过训练的小鼠可以戴着只有2.2克的探头自由活动，实时成像。研究者可以对自由状态下的实验动物进行长时间的观测，开启脑科学研究新范式，实现了让大脑思维“看得见”。

       刚开始进行研究时，业界认为能够做到15克就是非常成功。2.2克是什么概念？张立风用“难以想象”这个词来描述。“难以想象能做到这么小，且分辨率完全可以与大型双光子显微镜相媲美，所以这个是一个非常巨大的突破。”

图2 | 微型双光子荧光显微镜（供图：北京大学分子医学南京转化研究院）

       原始创新难在何处？突破点又在哪？张立风认为，难在能够提出一个开创性的问题和一个开拓性的解决方案。“程和平院士在提出2.2克微型双光子显微镜时很多人都不看好，因为大家在眼睛所看到的范围内，找不到有突破性的方案。因而要做出从0到1的突破，首先要能提出好的问题，然后再有突破性解决方案，二者缺一不可。”

       自然科学领域最难研究的, 除了极微和极大之外, 就是极复杂。面对极其复杂的生命科学，科研人员如何保持不竭的创新力？张立风认为，包括自己在内的所有科研人员的一个共性，是对未知的好奇。“做科研经常面临的一个问题是，95%的实验是失败的，因为这是一个探索的过程，真正有发现的可能是那5%的部分。”所有科研人员在面临问题时，要保持一份怀疑、一段探索和一个好奇心，这样才有源源不断的创新力。