南通市科学能力局,中华人民共和国化学家成功

作者: 必德电竞竞猜  发布:2019-05-22

膜生物学国家重点实验室(中国科学院动物研究所、清华大学、北京大学)程和平院士团队研制成功了新一代高速高分辨微型化双光子荧光显微镜,获取了小鼠自由行为过程中大脑神经元和神经突触活动清晰、稳定的图像。 新一代微型化双光子荧光显微镜体积小,仅重2.2 克,适于佩戴在小动物头部颅窗上,实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号。在大型动物上,还可望实现多探头佩戴、多颅窗不同脑区的长时程观测。相比单光子激发,双光子激发具有良好的光学断层、更深的生物组织穿透等优势,其横向分辨率达到0.65μm,成像质量可与商品化大型台式双光子荧光显微镜相媲美,优于目前该领域内主导的、美国脑科学计划研发的微型化宽场显微镜。该显微镜采用双轴对称高速微机电系统转镜扫描技术,具备多区域随机扫描和每秒1 万线的线扫描能力,首次采用了微型双光子显微镜对脑科学领域最广泛应用的指示神经元活动的荧光探针技术,解决了动物的活动和行为由于荧光传输光缆拖拽所干扰的难题。 相关成果于2017年5 月29 日在线发表于自然杂志子刊Nature Methods和Protocol Exchange,已申请多项专利。新一代微型化双光子荧光显微成像系统的成功研制彰显了膜生物学国家重点实验室在生物医学成像领域先期布局的前瞻性。微型化双光子荧光显微成像系统将为实现分析脑、理解脑、模仿脑的战略目标发挥重要作用。来源:科技部

中国科学家成功研制新一代微型显微镜

5月31日,北京大学宣布成功研制出新一代微型化双光子荧光显微镜,重量仅2.2克,可佩戴在动物头部,实时记录数十个神经元和上千个神经突触的动态信号;横向分辨率可达0.65微米,成像质量可与商品化大型台式双光子荧光显微镜相媲美。研究论文5月29日在线发表于《自然》杂志子刊《自然·方法学》上,并已申请多项专利。

历经3年多的协同奋战,北京大学联合中国人民解放军军事医学科学院组成跨学科团队,成功研制新一代高速高分辨微型化双光子荧光显微镜,重量仅为2.2克。该科研团队通过这一微型显微镜获取了小鼠在自由行为过程中大脑神经元和神经突触活动清晰、稳定的图像。原始论文于5月29日在线发表于《自然》杂志子刊Nature Methods

人们观察大脑多通过解剖,大脑处在静止、无生命的状态。中国科学院院士、北京大学教授程和平说,新一代微型化双光子荧光显微成像改变了观察细胞、亚细胞结构的方式。可在动物觅食、哺乳、打斗、嬉戏、睡眠等自然行为下,或在学习前、中、后长时间观察神经突触、神经元、神经网络、远程连接的脑区等多尺度、多层次动态变化。

5月31日上午的发布会上,程和平院士进行了详细介绍。新一代微型化双光子荧光显微镜体积小,重仅2.2克,适于佩戴在小动物头部颅窗上,实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号。

据介绍,该显微镜成像分辨率高、速度快,并具备多区域随机扫描和每秒1万线的线扫描能力;采用柔性光纤束进行荧光信号接收,解决了动物活动、行为由于荧光传输光缆拖拽而受到干扰等难题。其效果远优于目前领域内主导的由美国脑科学计划核心团队所研发的微型化宽场显微镜。

在大型动物上,还可望实现多探头佩戴、多颅窗不同脑区的长时程观测。相比单光子激发,双光子激发具有良好的光学断层、更深的生物组织穿透等优势,其横向分辨率达到0.65μm,成像质量与商品化大型台式双光子荧光显微镜可相媲美,远优于目前领域内主导的、美国脑科学计划核心团队所研发的微型化宽场显微镜。

程和平说,该显微镜应用领域广阔。如在外科手术临床应用上,做开颅手术前就可看到脑部肿瘤边界和神经活动等。“未来,与光遗传学技术结合,有望在结构与功能成像同时,精准操控神经元和神经回路活动。”

采用双轴对称高速微机电系统转镜扫描技术,成像帧频已达40Hz(256*256像素),同时具备多区域随机扫描和每秒1万线的线扫描能力。此外,采用自主设计可传导920nm飞秒激光的光子晶体光纤,该系统首次实现了微型双光子显微镜对脑科学领域最广泛应用的指示神经元活动的荧光探针的有效利用。 同时采用柔性光纤束进行荧光信号的接收,解决了动物的活动和行为由于荧光传输光缆拖拽而受到干扰的难题。未来,与光遗传学技术的结合,可望在结构与功能成像的同时,精准地操控神经元和神经回路的活动。

该显微镜是在国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制专项“超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统”支持下,由北京大学分子医学研究所、生命科学学院、工学院和军事医学科学院等组成跨学科团队,历经三年多协同完成的。

微型化双光子荧光显微成像改变了在自由活动动物中观察细胞和亚细胞结构的方式,可用于在动物觅食、哺乳、跳台、打斗、嬉戏、睡眠等自然行为条件下,或者在学习前、学习中和学习后,长时程观察神经突触、神经元、神经网络、远程连接的脑区等多尺度、多层次动态变化。

《中国科学报》记者了解到,该成果在2016年底美国神经科学年会、2017年5月冷泉港亚洲脑科学专题会议上报告后,得到包括多位诺贝尔奖获得者在内的国内外神经科学家的高度赞誉。

冷泉港亚洲脑科学专题会议主席、美国著名神经科学家加州大学洛杉矶分校的Alcino J Silva教授在评述中写道,“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,必将改变我们在自由活动动物中观察细胞和亚细胞结构的方式。它所开启的大门,甚至超越了神经元和树突成像。系统神经生物学正在进入一个新的时代,即通过对细胞群体中可辨识的细胞和亚细胞结构的复杂生物学事件进行成像观测,从而更加深刻地理解进化所造就的大脑环路实现复杂行为的核心工程学原理。毫无疑问,这项非凡的发明让我们向着这一目标迈进了一步。”

据悉,目前,该研发团队正在领衔建设“多模态跨尺度生物医学成像”十三五国家重大科技基础设施,积极参与即将启动的中国脑科学计划。可以期待,微型化双光子荧光显微成像系统将为实现“分析脑、理解脑、模仿脑”的战略目标发挥不可或缺的重要作用。

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