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程和平团队领跑生物医学成像技术 成功研制新一代微型化双光子荧光显微镜
发布时间:2017-06-13 点击次数: 448

       近日,我院产业化成果“新一代微型化双光子荧光显微镜” (以下简称显微镜)新闻发布会成功召开。该成果前期由北京大学程和平院士领衔的跨学科团队研制,经研究院成功转化并组建产业化公司。程院士亦作为我院的双聘教授,负责“双光子光片显微镜”项目。

       此次发布的“新一代微型化双光子荧光显微镜”为公司最新产业化产品,不仅促进了产业化公司的向前发展,也为研究院在协同助力团队发展,实现原型影像向工程化的转变,让科学家受益等方面树立了良好标杆。

       目前,各国脑科学计划的核心方向之一就是打造用于全景式解析脑连接图谱和功能动态图谱的研究工具。其中,如何整合微观神经元和神经突触活动与大脑整体的活动和个体行为信息,是领域内亟待解决的关键挑战。此次显微镜的成功研发,首次实现了微型双光子显微镜对自由活动小动物神经元及神经突触的有效观察记录。

       据介绍,该显微镜体积小,仅重2.2克,可以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,横向分辨率达到0.65微米,成像帧频达40Hz(256×256像素)。另外,该显微镜采用自主设计可传导920纳米飞秒激光的光子晶体光纤,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问题。

       程和平院士在发布会上表示,现在全球的人工智能技术还仅仅停留在弱人工智能阶段,要想真正实现强人工智能,人类还需要对自身大脑进行深入研究。而该成果正为人类了解大脑神经传导过程提供了更先进的工具,有助于推动未来人工智能的技术发展。 

       延伸阅读

       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。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。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。

       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。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。”

       新一代微型化双光子荧光显微成像系统的成功研制是国家重大科研仪器研制专项的一个硕果。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。