为了能够清晰地看到活体大脑里面的神经元、神经突触的结构和信号，科学家们需要借助到双光子显微镜，它就像一个高性能的X光机，能够透过大脑和皮肤的组织，看到细胞里面的结构和动态。

程和平教授与双光子显微镜的结缘，最早是在1992年，那时他还是马里兰大学的一名研究生，研究方向是心脏收缩的原理。程和平一行人来到康奈尔大学，看到了当时世界上第二台双光子显微镜。初代的双光子显微镜体积特别大，一间屋子里就只有一台显微镜，还有支撑这台显微镜的超快激光器。程和平当时就使用这台双光子显微镜拍摄了心肌细胞里面线粒体的NADH信号。程和平教授介绍道，线粒体是细胞的能量工厂，含有大量NADH，它有自发荧光，可以用双光子显微镜拍摄出非常漂亮的图片，来反映细胞的代谢状态。

传统台式双光子显微镜系统

经过二十多年的发展，双光子显微镜已经成为脑科学研究必不可少的工具。然而，当代前沿的脑科学研究希望在大脑正常工作时、在自由活动的动物上观察大脑神经元的变化，体积重量庞大的传统双光子显微镜显然难以满足这种在体实时观察神经元信号的需求。

微型双光子显微成像系统

2013年，微型化双光子显微镜获得国家自然科学基金委重大科研仪器研制专项的正式立项支持，程和平团队开始研制微型化双光子显微镜，目标是将探头做到15g。在2013年，全世界范围内都没有掌握这项技术的国家。程和平团队去到斯坦福大学请教，斯坦福大学的一位教授，现在也是美国脑计划的引领者之一，直言说，“你们想做15克的显微镜探头，那是做不出来的，150克还有可能”。

后来程和平教授又把他请到北大进行交流。临走的时候他告诉程和平教授说，“你有可能做出来，因为你们有非常好的团队，有搞激光的、有搞机械的、有搞自动控制的、有搞生命科学的，还有搞光学设计的，只有这样一个集团军的团队，才有可能一举攻破微型化双光子显微镜的难题。”

经过三年不懈的努力，程和平教授的团队于2017年成功地研发了一种高速高分辨的微型化双光子显微镜。它的探头只有拇指大小，重量只有2.2克，但是它的成像质量可以跟台式的双光子显微镜相媲美。就脑科学而言，在真实场景中来观测大脑的活动状态非常重要。因为足够小、足够轻便，这款双光子显微镜可以戴在小动物的脑袋上。小动物可以自由自在地行走，也可以戴着它睡觉做梦。科学家则可以进行长时间的观察，获取神经元水平、甚至神经突触水平的动态的变化信号。这项技术无疑为脑科学研究提供了一个革命性的工具，它不仅可以看得见学习、记忆、决策等思维的过程，还可以帮助我们研究脑疾病的机制，比如像自闭症、阿尔兹海默症、癫痫、睡眠障碍等等。

2017年第一代微型化双光子显微镜的探头

2017年第一代微型化双光子显微镜整机

2021年，程和平团队发布了第二代微型化双光子显微镜。第二代相比第一代视场增大到7.8倍，支持三维扫描和多平面快速切换，因此能看到的神经元数目增加了几十倍。正在研发的第三代是微型化三光子显微镜。三光子显微镜的好处是看得更深，可以从小鼠的大脑皮层一层一层地往下看，一直可以看到皮层下的海马区。

2021年第二代微型化双光子显微镜（探头）

除了在脑科学应用领域的持续深耕和创新，程和平团队还将微型化双光子显微镜技术拓展应用到人体生理和临床研究领域，开发出首款便携手持式双光子显微镜。不久前，程和平团队用该便携式设备与航天医学的专家合作，研究了人在模拟失重条件下体表双光子信号的变化。

便携式双光子显微镜

便携式双光子观察人体皮肤

面向未来，程和平团队正在启动下一轮的技术革新，他们希望将微型化双光子显微镜这个最初为脑科学量身打造的颠覆性技术，转化为临床上的双光子内窥镜，来用于消化道甚至呼吸道的肿瘤的早筛早诊，直接服务人民的生命健康。