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新豪天地登录网址中国科学家成功研制新一代微

时间:2019-08-15 22:19来源:科学研究
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

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。

“新一代微型化双光子荧光显微镜”在脑科学研究的记录层面,改变了观察生物自由活动中的细胞和亚细胞结构方式。它所开启的大门,甚至超越了神经元和树突成像。

中国科学家成功研制新一代微型显微镜

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

新豪天地登录网址 ,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。

1400克的大脑,包含了百亿级神经元和百万亿级的神经突触,这些复杂却精密的连接是思想的源起。

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

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。

2013年开始,欧洲、美国和日本相继启动了大脑研究计划,“中国脑计划”于2015年发布,在理解人类认知神经的基础上,中国脑计划有两个研究方向:以探索大脑秘密、攻克大脑疾病为导向的脑科学研究;和以建立和发展人工智能技术为导向的类脑研究。

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。

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。”

正是在这样的大背景下,5月31日,北京大学发布了研制的新一代微型化双光子荧光显微镜,该技术由北京大学分子医学研究所、信息科学技术学院、动态成像中心、生命科学学院、工学院联合中国人民解放军军事医学科学院组成的跨学科团队研发而成。

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。

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。

该计划于三年前启动,并入选基金委国家重大科研仪器设备研制专项,获得7200万元的经费支持。

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。

新一代微型化双光子荧光显微镜,重量仅为2.15克,适合佩戴在小动物头颅窗上,实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号。脑计划研究主要集中在四个层面:记录技术、刺激技术、分析技术、以及各种技术在脑功能和行为发面的应用;微型化双光子荧光显微成像技术则在记录层面改变了观察生物自由活动中的细胞和亚细胞结构方式。

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。

图为微型化双光子荧光显微镜的设计与组装(该成果研究论文已于5月29日发表在自然杂志子刊Nature Methods上,相关技术文档同步发表于Protocol ExchanGE,并已申请多项专利。)

《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。

“从微型化、分辨率、成像速度综合来看是国际领先的。”北京大学分子医学研究所程和平院士介绍称,该显微镜采用双轴对称高速微机电系统转镜扫描技术,成像帧频达 40Hz,具备多区域随机扫描和每秒 1 万线的线扫描能力;并采用了自主研发设计的光子晶体光纤,可实现 920nm 激光传输;荧光信号的接收则采用自主研发的柔性光纤束,避免了动物活动时荧光传输光缆拖拽而受到干扰的难题。

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。”

为了让实验者更好的操作,研发团队设置了一站式显微成像平台,平台本身既是双光子显示镜,也能对小鼠行为学进行观测并采集接收荧光信号。双光子激发与单光子激发相比,具有更好的光学断层、更深的生物组织穿透等优势,横向分辨率达到 0.65μm。

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。

“以前只能在动物固定的情况下做成像实验,这样不仅限制了动物行为,而且限制了研究领域,动物肢体参与的行为学是无法研究的。”研发人员向钛媒体介绍。

新研发的显微镜,可以在自由活动的动物上进行研究,在悬尾实验、社交实验、小鼠从高台跳下来等实验过程中,能得到高分辨率和稳定的神经活动图像。在动物觅食、哺乳、跳台、大豆、嬉戏、睡眠等自然行为条件下,可以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。

脑科学研究就是尝试揭示自然智能规律的过程,而目前的人工智能多是对自然智能的模仿或改造,仍处于弱人工智能状态,需要更多的计算量进行深度学习。

人工智能由弱向强的转变,关键在于向生物脑学习,“比如学会一件事情就是一个条件学习的过程,在这个过程中,神经回路正在发生什么样的变化原来是没办法知道的,但显微镜有可能看到,在执行某一行为的过程中某一个回路在各个不同层次、不同特征的变化。”

即便AlphaGo一次又一次战胜围棋圣手,但硅基属性的计算机仍抵不过人类大脑——目前唯一真正的智能系统。受大脑启发的人工智能所面临的终极挑战是,理解人类的认知过程。

“它所开启的大门,甚至超越了神经元和树突成像。”美国着名神经科学家 Alcino J Silva教授在评述中如是说,“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。”

在谈到商业应用前景时,程和平院士感慨,“反响比我们想象的热烈。”

在2016年12月举办的神经科学年会以及2017年5月的冷泉港亚洲脑科学专题会议上,程院士分别介绍过这款产品,现在已经有不少团队联系合作,在北大支持下,研发团队也成立了“北京超维景生物科技有限公司”,目前获得天使轮融资,由协同创新基金和中科创星参与投资,会在后续技术成熟条件下实现项目的产业化落地。

研发团队告诉钛媒体,他们下一步的重点计划是开发显微镜的2.0版本,结合光遗传学技术、图像的不相关校正等技术,对显微镜的微型化探头进行改进,进一步提升分辨率和成像速度等更深度的需求。

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