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程和平院士:22克微型双光子显微镜及其在脑科学中的应用
发表日期:2019-06-01 02:38| 来源 :本站原创 | 点击数:
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  5月26日,作为中国高档教育博览会(2019•春)的宗旨论坛之一,由中国高档教育学会尝试室办理工作分会、福建工程学院、国药励展展览无限义务公司承办的第二届高校尝试室扶植与成长论坛成功召开。中国高档教育学会会长、教育部原党组书记、副部长杜玉波,教育部高档教育司副司长徐青森,中国科学院院士、教育部长江特聘传授、北京大学传授、中国高档教育学会尝试室办理工作分会理事长程和平,南京大学传授、中国科学院院士、美国化学会会士陈洪渊等专家出席会议。

  中国科学院院士、教育部长江特聘传授、北京大学传授、中国高档教育学会尝试室办理工作分会理事长程和平

  会上,程和平院士做了题为《2.2克微型双光子显微镜及其在脑科学中的使用》专题演讲。以下为演讲内容:

  大师好!我今天给大师带来的演讲是我们北京大学一个跨学科团队研发的一款微型化新型显微镜--2.2克微型双光子显微镜, 它能够协助我们洞悉大脑勾当的奥妙。

  一、生物医学成像手艺的成长趋向

  在生命科学和医学研究中,成像手艺至关主要,它是鞭策生命科学前进的焦点动力,生物医学成长的汗青大半部是成像手艺的成长史。从上世纪至今,我们医学一些大的前进往往都伴跟着成像手艺的冲破。上个世纪,人类连续发觉了包罗X射线、全息拍照法、CT计较机断层成像、电子显微等多种手艺,这些手艺都给人类带来了新的医疗手段和察看手段。但很可惜,这些没有中国人的发现。

  进入新千年,脑科学研究成为热点,由于脑是世界上最复杂,最奥秘的物质。人类1400克的大脑,其实也如统一个小小的宇宙,它包含百亿数量级的神经元和百万亿数量级的神经突触。恰是其布局和功能上极其复杂而细密的毗连,络绎不绝地出现着人类的聪慧和认识,而聪慧和认识的素质是什么?这是人类的终极科学问题。

  二、活体成像的利器“双光子显微镜”

  1931年,M•Goeppert Mayer提出了双光子接收跃迁的根基道理,即荧光分子同时接收2个长波长光子,跃迁至激发态,其结果与接收单光子(波长为长波长一半)不异。1960年,激光器的发现使得双光子效应被验证和使用。1990年,Denk,Webb发了然第一台双光子显微镜。1992年,我很有幸利用世界上第二台双光子显微镜,初次实现了双光子心肌线粒体成像。在脑科学研究中,双光子显微镜是高端尝试室必备的东西,当然其它前沿尖端的东西也是要必备的。现在,双光子荧鲜明微镜成为最主要的显微镜成像手艺。

  起首,看得准。单光子成像时用显微镜看不到断层,光锥路径内皆有荧光,使得整个细胞看起来模恍惚糊;而双光子成像时仅在核心处有荧光,发生的光学断层效应能够无效提高成像的纵向分辩率,能够很好地察看断层。

  虽然双光子显微镜有如上诸多长处,可是,双光子成像需要很是高质量的飞秒量级的激光脉冲,如许才能够看到激光器发生飞秒量级的脉冲成像。同时,双光子显微镜整个系统长短常笨重的,具有看活体不准、扫描速度慢、体积复杂无法便携化等错误谬误。为此,我们的设法是若何让这种脑成像利器用在动物上,缔造出一种新的显微镜,佩带在小动物头部颅窗上,进而看到它的思维。

  三、2.2克微型双光子显微镜成功攻关

  2013年,国度天然科学基金委员会启动了国度严重科研仪器研制项目。在基金委相关带领的激励下,我们申请了微型化高分辩率双光子显微镜项目,颠末同业专家评审、学部征询委员会评审、专家委员会答辩评审和专家现场调查等法式,获得了7200万元人民币的支撑。我们组建的跨学科团队提出了超高时空分辩微型化双光子在体成像系统,项目从2014年1月起头攻关,于2018年12月完成,后天就要正式验收了。

  颠末不懈勤奋,到2017年我们终究做成了如许一个系统,它的焦点部件只要大拇指大小,仅重2.2克,成为可被自在勾当的小鼠戴在头上的观测利器。它能够及时记实数十个神经元、上千个神经突触的动态信号,操纵行为与其视觉神经突触勾当之间的联系,可以或许看见小鼠的思虑和决策过程,好比,小鼠悬尾过程中的视觉神经勾当、分歧小鼠交换过程中的视觉神经勾当等。若是小鼠有什么疾病,也能够看到视觉神经勾当的变化环境。

  该显微镜采用双轴对称高速微机电系统转镜扫描手艺,具备多区域随机扫描和每秒1万线的线扫描能力,初次采用了微型双光子显微镜对脑科学范畴最普遍使用的指示神经元勾当的荧光探针(如GCaMP6)手艺,处理了动物的勾当和行为因为荧光传输光缆拖拽所干扰的难题。跟世界前十多年的显微镜比拟,我们全体机能最优,远优于目前该范畴内主导的、美国脑科学打算研发的微型化宽场显微镜。我们这项工作入选2017度中国科学十猛进展、2018 Nature Methods年度方式。

  四、“第二代微型双光子显微镜”手艺立异

  第三,光遗传微型化双光子。双光子还有一个益处就是不只可以或许成像,还能够连系其它的光遗传手艺,如连系GRIN镜头察看脑深层神经元,进而节制这个神经元兴奋或者不兴奋,而且能够抑止它。双光子光遗传学,能够进行精准单细胞刺激与激活,之前的单光子光遗传学,只是进行区域刺激与激活。

  五、微型双光子零件工程化与扩展使用

  生命科学是一门极其复杂、极富挑战的科学,是一样能够做出严重科学发觉的一个范畴。在天然科学范畴,最难研究的,除了极微和极大,就是极复杂,它有像银河星系一样多的神经元。若是只是通过一台一台显微镜去看,不知要看到何年何月。为此,我们提出了一个概念,就是要成立一个百台规模的高通量平台,一年的工作量仅用一周以至几天就能够完成。我们曾经和南京江北新区成立了合作,成立了南京脑观象台。

  该显微镜使用范畴广漠,能够把它拓展成微型化双光子手持显微镜和微型化双光子内窥式显微镜,这也是我们团队鄙人一步要努力于完成的工作。

  最初我表达一个概念,我们这个研发团队大部门是年轻人,我们不只要立异研究仪器,也要在立异研究仪器傍边培育一代新人。但愿我们在座的大学生、高中生、中学生以至小学生,可以或许用本人立异的东西来回覆最前沿的科学问题。但愿大师出格是我们的学子可以或许立志于做立异的仪器和研究,做出让我们感应骄傲的科学发觉!

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