人類的大腦猶如一個小小的宇宙，包含了百億級神經元和百萬億級的神經突觸，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圖譜的研究工具：從隨機光學重建顯微鏡（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，國際權威學術期刊《自然—生物技術》以在線形式全文發表了一項來自中國的最新研究成果：北京大學的陳良怡團隊聯合華中科技大學譚山團隊，研發出一種超靈敏的結構光超高分辨率顯微鏡——海森結構光顯微鏡（Hessian SIM），從而將光學顯微鏡的性能再度提升到了一個新的高度。
超靈敏 高分辨
分辨率通常被認作是光學顯微鏡的生命，而由我國科學家自主研發的海森結構光顯微鏡，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，海森結構光顯微鏡的空間分辨率可達85納米，即能夠分辨單根頭發的1/600~1/800大小結構，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了100Hz超高分辨率成像下，連續采樣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構光顯微鏡卓越的性能。與2014年摘得諾貝爾化學獎桂冠的STED顯微鏡相比，這款海森結構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胞超高分辨率成像方面呈現出顯著的優勢。
舉例來說，在觀察細胞內囊泡與細胞質膜融合釋放神經遞質和激素這一過程時，雖然海森結構光顯微鏡與STED顯微鏡均可以觀察到囊泡融合形成的孔道，但是前者在此基礎上，還進一步解析出了囊泡融合時的4個不同中間態：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胞質膜完全融合，可謂真正實現了膜孔道形成全過程的可視化。
“除此之外，應用海森結構光顯微鏡我們還實現了細胞‘能量工廠’線粒體的超快超分辨成像，首次在活細胞中解析了線粒體融合、分裂時內嵴的活動，以及線粒體內嵴自身的重組裝過程，也能夠觀察活細胞內內質網與線粒體發生相互作用時的動態變化。”此項工作的通訊作者之一、北京大學分子醫學研究所研究員陳良怡告訴《科學新聞》。
而實際上，此前在該領域內，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構光顯微鏡在觀察光毒性敏感的細胞器如線粒體動態結構方面的獨特優勢。
在研發團隊看來，海森結構光顯微鏡誕生的意義，一方面在于其是對基于硬件自主設計的新偏振旋轉玻片陣列、高精度的時序控制程序以及高數值孔徑物鏡的應用；另一方面則在于它創新的重構算法，即借鑒了人眼區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、而噪聲是完全隨機分布”的先驗知識用于構建海森矩陣，指導超高分辨率熒光圖像的重建。
目前，超靈敏海森結構光顯微鏡是世界上活細胞成像時間最長、時間分辨率最高的超高分辨率顯微鏡，適用于各種細胞、不同探針的熒光成像。
“可以說，所有應用掃描共聚焦顯微鏡的場景都可以使用海森結構光顯微鏡，因而其具有廣泛的應用前景。”陳良怡介紹道。
屢創新 無止境
在海森結構光顯微鏡研發成員名單中，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年度中國科學十大進展”的“新一代微型化雙光子熒光顯微鏡”的主創成員。
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”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合，應用于在體熒光成像過程。
之后，北京大學程和平院士帶領一支包括生物成像技術專家陳良怡在內的跨學科團隊，整合了光學儀器研發、電路控制、生物學實驗等各方面的力量，調集關鍵設備、確定時間節點，群策群力、夜以繼日地攻堅作戰，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，能夠實時記錄數十個神經元、上千個神經突觸的動態信號；而在大型動物上，它還有望實現多探頭佩戴、多顱窗不同腦區的長時程觀測。
給小鼠戴上這一顯微鏡后，研究團隊經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元和神經突觸活動清晰、穩定的圖像。“這是我們第一次觀察到自由活動狀態下的小鼠是‘怎么想的’。”陳良怡介紹。
這一世界成像儀器領域的重大突破，可謂為腦與認知科學、人工智能研究的推進提供了重要工具。也正因如此，它一經問世，便迅速震驚了世界。
2014年諾貝爾生理學或醫學獎得主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年底美國神經科學年會、2017年5月冷泉港亞洲腦科學專題會議上報告后，更得到多位國內外神經科學家的高度贊譽。
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構光顯微鏡，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、具有學科交叉背景和核心技術創新能力的“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，創新永無止境。“下一步，我們將繼續攻關，以期進一步實現微型化海森結構光的顯微在體成像。”陳良怡表示。■