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工学院力学系系友程和平院士参与研制新一代微型化双光子荧光显微镜 领跑生物医学成像技术

发布时间:2017-6-6 16:58:45  点击次数:246

 

“要理解大脑的奥秘,我们特别需要一种新的成像技术,能够在自由运动的动物上,看到单个神经元、单个信息处理单元的精准动态的变化。”2017年5月31日上午,北京大学工学院力学系系友、北大分子医学研究所程和平院士代表北京大学联合中国人民解放军军事医学科学院组成的跨学科团队在北大“成功研制新一代微型化双光子荧光显微镜”专题新闻发布会上如此介绍。


北京大学工学院力学系系友、北大分子医学研究所程和平院士在发布会上介绍研究成果

历经3年多的协同奋战,北京大学分子医学研究所、信息科学技术学院、生物动态光学成像中心、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跨学科团队,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》的支持下,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。

原始论文于5月29日在线发表于《自然》杂志子刊Nature Methods(IF 25.3),相关技术文档同步发表于Protocol Exchange(DOI: 10.1038/protex.2017.048),并已申请多项专利。新一代微型化双光子荧光显微镜的成功研制是世界成像仪器领域的重大突破,为脑与认知科学、人工智能研究的推进提供了重要工具。

据介绍,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。该显微镜适于佩戴在小动物头部,可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。

研究团队主要成员、北大分子医学研究所研究员陈良怡说道:“这是我们第一次观察到自由活动状态下的小鼠是‘怎么想的’。……通过这套新型显微镜,可以在自由活动的哺乳动物上对其神经活动进行更精准研究。”

美国著名神经科学家阿尔西诺·席尔瓦教授评论称:“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。”


程和平、陈良怡、王爱民、张云峰、宗伟健、吴润龙、李明立等研发团队成员在发布会上与听众交流

作为国家重大科研仪器研制专项的一个硕果,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北京大学在生物医学成像领域先期布局的前瞻性,锻炼了一支以年轻PI和硕博研究生为主体、具有学科交叉背景和核心技术创新能力的“中国智造”队伍。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。

 

延伸阅读:

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。新一代微型化双光子荧光显微镜的成像质量可与商品化大型台式双光子荧光显微镜相媲美,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。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(如GCaMP6)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。

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。


消息来源:北京大学新闻网、新华社

新闻链接:http://pkunews.pku.edu.cn/xwzh/2017-06/01/content_298070.htm

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