科学技术的进步，人工制造出来输入了智能程序的阿尔法（AlphaGo）4:1大胜韩国围棋名将李世石九段。当在人的思考行为方式基础上的人工智能（Artificial Intelligence）进入了人们的日常生活的今天，中国科学院程和平院士却说：目前人工智能还处于弱人工智能阶段，要想实现强人工智能，还是要向生物脑进行学习。

2017年5月31日，北京大学召开新闻发布会，宣布成功研制新一代2.2佩戴式微型化双光子荧光显微镜。中国科学院院士、九三学社第十四届中央委员会委员、北京大学教授程和平领导的跨学科团队实现了双光子显微镜核心部件的微型化，将原本几百公斤的仪器缩减为几十公斤、核心部件缩减至2.2克。实现了动物自由行为状态下的分子与细胞动态信号的采集、生物医学成像技术的重大突破， 也是我国科学家在自主研发基础科学前沿工具取得的重大进展。

   2.2微型化佩戴式双光子激光显微镜

1931年，德裔美国女科学家玛丽.格佩特.梅耶（M·Goeppert Mayer）提出了双光子吸收跃迁的基本原理，上世纪六十年代，激光器的发明使得双光子效应被验证和应用，扫描影像学技术进入人们的医疗活动让人们对大脑整体水平结构和功能的认识耳目一新，并且对于大脑创伤和疾病的治疗提供了有力的技术工具。

在脑科学领域， 1990年，美国康奈尔大学的Winfried Denk, James P Strickler和Watt W. Web发明了于1991年7月23日申请生效(美国专利号 5034613)的第一台双光子显微镜。光学显微成像技术给脑科学及相关领域带来了很多前所未有的思路和成果。

与双光子显微镜结缘，程和平院士有着一段特殊的“显微镜情结”。1990年，程和平留学美国马里兰大学(Baltimore)医学院生理系，1992年，程和平发现在每一次强有力的心脏搏动中传统的细胞钙瞬变（calcium transient）中的一个最小单位，在时间及空间随机触发并叠加、细胞水平呈现的梯级式（graded）钙释放是由于不同数目的“全或无”式的这种最小单位累加所造成的。单细胞可触发约一万个这种最小单位，整个心脏中最小单位数约是5× 量级。所以研究小组确认了这种心肌兴奋-收缩耦联的最小单位。1993年，程和平作为第一作者在《Science》上发表论文命名这种最小单位为“钙火花”(Calcium Sparks)，被誉为100年来最杰出的10篇心肌论文之一，由此在生物医学界一举成名。

在“钙火花”进行性研究的过程中，程和平曾与与康奈尔大学的双光子显微镜结缘。 当时致力于发现“钙火花”的程和平因为一时没有合适的荧光染料从而也就没有再使用过那台当时世界上的第二台双光子显微镜。

进入新世纪后，随着学术界游学海外的学者们陆续归国，在基础研究领域研究仪器的匮乏已经显得日益凸显。在生命科学领域，单光子显微镜已经实现了微型化，程和平院士以一个科学家的视野和远见敏锐地意识到双光子显微镜的前沿意义，2013年在国家自然基金委员会国家启动重大科研仪器研制项目背景下决定申请高分辨率微型化双光子显微镜课题的立项。在谈到申请立项的过程时，程和平院士是总是谦逊地表示：“这是（国家自然）基金委的顶层设计的结果”。

与此同时，北京大学给了程和平团队大力的支持，在招生方面， 除了5个博士生名额, 研究生院给了他们每年三个专业20个工程硕士的名额。团队汇集了各领域中的高手、包括在国际机器人大赛中获奖的优秀人才。北京大学专门划拨了一个约300平米的研究空间, 使这些不同科研背景的人向着一个共同目标,程和平院士得意地把它叫做“大仪器联合实验室”。

在今天程和平院士产业化方向的“超维景”公司的展示实验室里，人们首先看到的是一台给试验用小鼠作嵌入手术的手术台，一下就能吸引住很多生物医学界的专家。从中看出程和平团队在实验室阶段克服检验检测设备面临的困难的的故事不难让人可以想象起步之初面临的困难远不止于此。

2015年，程和平团队的第一台微型化双光子显微镜研制成功，团队欢欣鼓舞，几经周折将成果学术论文投稿到《nature methods》。《nature methods》的五位评委以2:2:1的赞同、反对或者质疑否定了这个论文。

“在关键时候拍板”程和平科研团队的陈良怡教授这样评价程和平院士。在仔细听取了《nature methods》方面权威指出的技术短板、回顾了研发技术路线思想无误之后，程和平果断决定对相关技术问题做出调整。“必须要回答这些问题”、“要做就做到最好”，面对《nature methods》方面提出三个月的改进期限，“需要多长时间我们就做多长时间”程和平果断决定。

光子晶体光纤（PCF）是解决脉冲光传输过程中保障一个飞秒光状态中下才能发生双光子的效果的重要部件。在生物医学领域的显微成像中实验动物90%是以绿色荧光蛋白GCaMPs作为反应对象的，而GCaMPs是在920nm波长条件下被激发的。 而当时采用的800nm波长激光和光纤传输过程中的非线性变化导致的脉宽非线性变化（变散）是一切质疑的症结，也就成为《nature nethods》反方专家质疑程和平团队的双光子显微镜的应用性的重要理由。

是把一个飞秒激光从光源无损地传输到探头上，负责传输的920nm激光光纤就成为了一个比较重要的技术瓶颈。

在激光光纤领域，必须是在一个时域很窄的一个飞秒光状态中下才能发生双光子的效能。如何这个脉冲光传输的过程中，既保持它的脉冲常高，又保持它的脉宽不能变窄？空气里面就相当于空气的色散很小的原理，充满智慧的科学家们再熟悉不过了，那就是研发一种史无前例的使激能光在类似于空气状态下传播运行的环境的光纤……

半年之后，经过光纤光路，控制、电路、生物医学反馈等一系列技术步骤的重新设计，在工艺等技术环节上的重新操作。2016年 月世界上第一台2.2佩戴式微型双光子显微镜横空出世。

 在经过生物学实验验证、横向比较更优于领域内相关的同类型双光子显微镜并证明2.2佩戴式微型双光子显微镜卡看得“更深”、“更快”之后，研发，团队正式向《nature methods》提供了就6页纸的相关问题的40页回复回馈之后， 《nature methods》正式回复采纳。

技术路线的创新也带动了各个技术路线方向上的硕果累累。超快领域, 世界上第一个三轴扫快速扫描双光子光片显微镜；超深领域,三光子显微镜可以看到近2毫米的深度；在超分辨领域,超灵敏超分辨结构光显微镜是非常出色的成果；在超大视场领域……

2017年10月，诺贝尔生物学或医学奖获得者爱德华·莫泽 （Edvard I. Moser）博士专程访问北大微型化双光子显微镜跨学科联合实验室称其将为神经科学研究提供了一个“革命性”的新工具。

“从任何一个标准来看，这款显微镜都代表了一项重大技术发明，它所开启的大门，甚至超越了神经元和树突成像”。“微型双光子显微成像系统”的问世，将建立起今后脑科学研究的新范式，成为研究的标准化方法，为正在蓬勃发展的神经科学提供一个强有力的实验工具。”冷泉港亚洲脑科学专题会议主席阿尔希诺·席尔瓦（Alcino J. Silva）教授在评价2.2微型化佩戴式双光子荧光显微镜时这样写道。

2019年1月，《nature methods》发布了2018年的年度方法：“自由动物成像”。              

            程和平院士这样走来

1990年，美国马里兰大学(Baltimore)医学院生理系实验室里，一位来自中国的青年学者一丝不苟地进行着从事细胞钙信号转导的研究，他就是新婚不久后来到美国的28岁的程和平。1980年，程和平如愿考上北京大学数学力学系，在读三年级时，勤奋的程和平就开始自主学习一些生物学方面的课程。1987年，程和平获学士和生物工程专业硕士学位，同时辅修生物学系生理学专业，获得第二学士学位。

科学家的学术魅力来自于累累硕果的学术成就。

至今在美国马里兰大学的一个生物实验室门前，一款写有The Birthplace of Calcium Sparks (钙火花诞生地)标志着程和平学术成就的开端。

 “钙火花”之后，凭籍着在骨骼肌、平滑肌钙生理领域提出的钙离子，依其空间分布的不同，可以产生截然相反的生理效应发现 、率先提出关于钙释放通道“钙适应（adaptation）”行为的理论模型等一系列生物学界领先的理论建树，1995年程和平在马里兰大学获得博士学位，1998年成为美国大学学术常任规制度下的Tenure-track研究员。2004年作为高级研究员（Senior Satff Fellow）的程和平被授予美国国立卫生研究院(NIH)高级研究员的终身职位。值得一提的是程和平此时正在美国讲学的妻子也是一位国内外知名的科学家。

科学没有国界，但是科学家是有祖国的。2000年成为北大的长江学者特聘教授的程和平就想回国，由于基础研究往往需要很大的资金投入，当时国内的环境还不成熟，一时没有成行。

2004年12月31日，中科院神经科学研究所的周专研究员在电话里欣喜地告诉身在美国马里兰的程和平：“刚刚接到北京大学副校长的通知，筹建分子医学研究所的经费，终于到账了！”。 2005年，在国家985工程的支持下，程和平参与谋划的分子医学所终于由蓝图变为现实。程和平毅然辞去了 NIH 的职位，回到北京大学分子医学研究所工作。2007年，程和平教授担任首席科学家主持科技部973项目“心脏的重大基础和疾病机理研究”。2013年程和平当选为中国科学院院士。2008年7月，程和平教授研究组发现一种新的细胞超氧生成事件,并命名为”超氧炫”(superoxide flashes)。超氧炫是细胞内(含100~1000个线粒体)单个线粒体中超氧信号的瞬时爆发现象,这是首次在活体细胞中观测到局部、间歇性、量子化超氧的产生。研究发表在《Cell》上。

“在科学面前，人是很渺小的”程和平院士在谈及个人时总是那么淡然，但是谈起双光子显微系统以及应用，程和平滔滔不绝。

双光子显微成像系统的成功在脑科学和相关领域具有划时代的革命意义。所谓光子荧光显微系统是以在科学发现活动中能看得更深、更快、更广为目的的科学工具。双光子佩戴式显微系统的研制成功在世界范围内首次解决了脑科学及相关学科在观察、记录成像需求，与此同时，在试验对象自由状态下的采集使之更具有革命性。

这项技术未来有什么打算？2018年5月2日，北京大学120周年校庆前夕，习近平总书记在考察北京大学期间参观多模态微型化双光子显微镜整机时问程和平院士，程和平回答说：“下一步将会把这个独一无二的工具……回答一些小实验室解决不了的大的科学问题”。

“科学发现从假说研究到大数据驱动的研究，能够用新的理念、从新的角度、用新的方式对生命科学基本规律问题、医学问题进行解决” 在实现了双光子显微成像系统世界性的突破，完成了成像、探测部分、扫描和收集对高性能透镜组等关键部件的微型化设计、制造和集成等一系列创新之后，程和平院士冷静地意识到，实现了技术创新之后，需要在技术竞争中实现更大的进步，同时程和平团队的的双光子显微镜正向着更新的目标更新换代，彰显着科学精神的大气恢弘；与此同时，程和平院士敏锐地意识到，一台仪器只是解决个别的科学发现中的工具，他要为祖国打造一种全新的研究范式，凸显一位科学家的远见卓识。

程和平院士科研团队以技术创新、通用化的仪器产品转化、基于产品的大规模高通量平台的“三级跳”的科学路径正在创造着力求“改变整个脑科学研究的”新范式。

在国家战略工程的北京怀柔科学城正在筹建的多模态跨尺度生物医学成像设施里，国家发改委牵头“十三五”基础科学大设施, 该成像设施正是十项优先建设项目之一, 也是生物医学领域中的唯一项目。

南京江北新区，一座依数亿资金支撑，支持一个百台规模的高通量平台即将成型。这个平台集技术密集和人才密集优势，取实验动物相关、大数据分析相关的人才团队为统筹管理的团队，因英文是Brain Observatory. Observatory是天文学研究中的“天文台”被称为天文台一般的 “脑观测台”。

“要追求一种品质，一种态度，只有把基础牢牢打好，才能成十倍、成百倍地提高科研效率。平台在未来的五年建成集约化，规模化的体系，为更多研究者解决前瞻性、深刻性的科学问题提供支持。”

 “打造脑成像技术体系，应当以个性为基础，追求共性，提供更加简单的仪器操作方式及软件分析流程，并且不仅仅是脑部还要朝着身体的其他部位去探索和发展。”

如果说程和平和他的双光子显微成像系统的研制成功标志着技术进步的新高，那么这种新的研究范式正是一位科学家的科学精神和伟大情怀的体现。

作为科技创业者,就是要像王选那样,做“顶天立地”的事，这样才能在世界舞台上说:“这些技术是中国发明的！”。2017年，程和平院士当选九三学社优秀人物,荣获“九三楷模”称号。

九三学社社员，中国科学院院士程和平院士在“创新驱动国家发展”，“中国制造2025”国家战略的规划中正向着更高的目标……

（可延）