程和平  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 

    脑科学研究刚刚起步，更大的成果正等着我们去探索，未来这个世纪可能会被称为脑科学的世纪。

    为脑科学研究打造装备

    脑科学研究包括“读、释、写、仿”四个方面，是一门高度交叉的新兴前沿学科。

    “读”就是获取大脑信号处理过程中的动态变化，即“读取”脑信号。“释”是在获取海量数据后，解码脑信号。光靠能够捕捉脑信号的仪器和经典的数据分析技术是不够的，这时就需要借助深度学习训练神经网络等类脑人工智能技术，反过来帮助我们来解读脑信号。

    “写”是通过施加刺激，如脑机接口，来干预脑、调控脑。“仿”的意思很广，我这里的“仿”主要是指脑模拟，模拟一个核团、一个区域，从而发现或验证脑机制、发现新原理，并推动人工智能的发展。个人认为，脑科学对临床脑医学、未来脑科学产业的发展是大有帮助的。

    我是给脑科学研究打造装备、给脑科学“打工”的，主要工作是研发观测装备，搭建新型平台， 并通过平台探索脑科学等复杂科学的研究范式。

    为开发“读”工具，我们团队于2017年成功研发了一种高速、高分辨率的微型化双光子显微镜，探头重量仅为2.2克，其在自由行为小鼠大脑皮层上实现了神经元和神经突触稳定、清晰的记录。2021年，第二代微型化双光子显微镜问世，其成像视野较第一代扩大了7.8倍，工作距离扩展至1毫米，并实现了三维空间中近千个神经元的功能成像。微型化双光子显微成像技术的突破，开启了研究大脑神经元结构和功能的新范式。

    2023年2月，我们团队在《自然方法》杂志在线发表了最新研究成果——重量仅为2.17克的微型化三光子显微镜。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，为揭示大脑深部神经机制提供了又一“利器”。

    为满足国家载人航天及空间脑科学研究的需求，我们团队自主研制出空间站双光子显微镜，并于2023年2月对其进行了在轨验证实验并取得成功。此次实验实现了多项“第一”，包括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，该成果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。

    生命科学需要新型研究平台

    为支撑中国“脑计划”，基于我国科学家主创的前沿技术，我们建成了“南京脑观象台”，其具备“读、释、写、仿”四项功能。该平台由相关领域专家领衔建设，正在开展脑科学“探索计划”项目，主题涉及皮质工作记忆、睡眠、自闭症、抑郁症、神经药理学和神经元再生等。

    还有一个好消息。作为国之重器，“多模态跨尺度生物医学成像设施”的建设正在如火如荼地进行，预计于今年底投入试运行，2024年完成国家验收。严格来说，多模态跨尺度生物医学成像设施就是“生命观象台”，它把几十种模态，两两融合、三三融合，最多可以做到六七种融合的模态，进而形成一些新的研究范式，其能够帮助我们更好地理解大脑。

    依托此成像大设施，我们已启动“早鸟项目”，面向全国科技界滚动征集合作立项建议，计划在未来3—5年内发起生命科学领域的大科学计划，充分发挥“科技航母”的战略价值。

    大科学时代的生命科学特别需要新工具、新型研究平台。工具和平台需要学科支撑，也需要产业支撑，更需要创新人才支撑。

    未来，更多新工具的开发以及新范式的探索，特别是大科学时代有组织的科研新范式，将为提升我国生物医学研究的整体水平、实现高端生物医学仪器装备的“中国创造”提供强有力的战略支撑和保障。

    （本版图片由广东院士联合会提供，稿件由本报记者叶青整理）