首都科学讲堂丨打造探索未知世界的科研“利器”——记第804期《科技铸器：窥探大脑深处的奥秘》

给辛勤工作中的大脑神经元拍“视频”，不但能知道小鼠如何做梦，小鸟如何学习唱歌，医生还可以据此探寻脑疾病的致病原因，药企可以有针对性地研发新药。脑科学的秘密都有哪些？给大脑拍摄的“视频”到底能有多“高清”？

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这个六月，首都科学讲堂围绕“兴趣与探索”主题，面向广大青少年及社会公众开展了系列科普教育活动。本期首都科学讲堂，中国科学院院士、北京大学未来技术学院教授程和平走进大兴一中，为现场的青少年和线上的公众解读创新如何引领我国科学基础研究事业的发展，带领我们领略人类大脑深处的奥秘。

兴趣为桨，探索脑宇宙的更深处

程和平在讲座现场分享了他在高中读书时的感悟，恩格斯的一句话曾给他留下了极为深刻的印象：地球上最美的花朵就是思维着的精神。这让他意识到世界的美其实在于人类大脑产生的智慧之美。

脑科学家们常用浩瀚无垠的宇宙来形容大脑的复杂，人类的大脑也因此被称为“三磅宇宙”(3磅约等于1.36千克，接近成年人脑的重量)。

程院士现场介绍了人脑其实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，而研制用于解析脑连接图谱和功能动态图谱的研究工具是各国脑科学计划的核心方向之一。

脑科学研究主要包括“读、释、写、仿”四个方面，是一门高度交叉的新兴前沿学科。“读”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。有时候光靠人脑和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，反过来帮助解读脑信号。

“如何才能创造出一种显微镜，能够在小动物自由活动的条件下，‘读取’一个个神经元一闪一闪的动态变化？”曾几何时，这是程和平心底的一个梦想。

在这个梦想的驱动下，程和平带领项目组攻克多项显微镜小型化技术难题，成功使用科技铸成的“利器”，支撑国家重大战略需求，探索脑宇宙中更深处的美丽“风景”。

通过科研利器，可以读取小白鼠深部脑区神经元的变化，率先在世界上实现了动物自由行为条件下观测大脑神经元和突触的活动。“这为研究人类大脑秘密打下了更好的基础。”程和平介绍说，终有一天，一小段关于大脑的高清“视频”就可以说明，我们两耳之间的奥妙之处都发生了什么，从中找到治愈脑部疾病的答案。

“脑科学的世纪”已到来，生命科学需要“利器”

程和平介绍，作为一门高度交叉的新兴前沿学科，脑科学研究刚刚起步，更大的成果还有待科学家去探索，未来的世纪，更可能会被称为“脑科学的世纪”。

“工欲善其事，必先利其器”，前沿的脑科学研究离不开科技“利器”，程和平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。

在讲座中，程和平也分享了团队近年的累累硕果。

2017年，团队实现了双光子显微镜核心部件的微型化——原本几百公斤的仪器缩减为几十公斤的组合体，核心部件缩减至2.2克，成为可被自由活动的小鼠戴在头上的观测利器，获取了小鼠在自由行为过程中大脑皮层神经元和神经突触活动的动态图像，入选“2017年中国科学十大进展”。

2021年，团队研制的第二代微型化双光子显微镜又将成像视野扩大了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。

2023年2月，团队进一步研发出一款重量仅为2.17克的微型化三光子显微镜，能够直接透过小鼠的大脑皮层和胼胝体，首次实现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，成果发表在《自然-方法》上。

为满足国家载人航天及空间脑科学研究的需求，程和平团队自主研制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。

青少年要保持好奇心，提高动手动脑能力

“脑科学家平时都在关心哪些问题？”“怀柔科学城‘多模态跨尺度生物医学成像设施’建成后，会应用在哪些领域?对我们日常生活有什么影响吗?”……讲座结束后，程院士还和大兴一中钱学森实验班的青少年们展开了互动，回答了他们提出的各种疑问。

程院士鼓励青少年们要始终保持好奇心，提高动手动脑的能力。同时，他也当场向所有观众征集在太空站上能实现的脑科学实验，激励所有人都参与进来，享受到科学带来的乐趣。

首都科学讲堂由北京市科协主办，北京科学中心承办，北京科技报社协办。2023年，首都科学讲堂将继续采取定点演讲和流动演讲相结合方式，以北京科学中心为主阵地，广泛协同中小学校、高校、科研院所、学协会、科技企业、科普场馆等开展活动，以科普高质量发展更好地服务全民科学素质提升，服务国际科技创新中心建设。

来源：北京科学中心

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