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【南京创新周黑科技抢“鲜”看】用这款显微镜,人类将“透视”大脑思维

未知 2019-10-01 14:50

在南京超维景生物科技的实验室里,每只小鼠都不得不向科研人员“敞开心扉”。通过数条不同颜色的连接线,小鼠在自由活动时的脑成像得以实时显示在电脑上。如此神奇的脑神经活动监测效果,都得益于它们头上那个仅有2.2克重的“头盔”——微型化双光子荧光显微镜。

可佩戴式微型双光子荧光显微镜(超维景供图)

在动物自由活动时,如何直接对其神经元实时成像,是让神经科学家饱受困扰的问题。传统的科研监测只能通过将小鼠固定,或是观察其脑部切片,或是给小鼠打麻药,使其安静下来。这样做的弊端是,麻醉状态下的小鼠,无法呈现出真实和自然的生命状态,相应地就无法研究大脑神经和行为之间的关系,不能构成大脑的神经图谱。发明“趁手”的仪器设备,对于该领域的科研活动至关重要。

工作人员在调试小鼠头上的微型双光子荧光显微镜设备(孙中元摄)

事实上,用于监测动物脑神经元活动的双光子显微镜设备早已出现在国外的实验室中,但它们中大多数体积较大,重量也从几十到上百千克不等,一些相对较轻的设备成像质量差,成像速度不理想,无法快速捕捉脑部神经元的活动。

来自中国的科研工作者给出了解决方案。由北京大学程和平院士牵头研发的微型化双光子活体成像技术,将传统双光子显微镜中的核心零部件,都缩减在一个仅有2.2克重的微小部件中,以此研制出的微型化双光子荧光显微镜,轻巧简便可佩戴,适用于活体动物监测。程和平院士团队在国际上首次获取到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,开启了脑科学研究的新范式。除了体积精巧,该设备的另一项核心技术在于,通过自主设计的波长为920纳米的空心光子晶体光纤,向小鼠脑部注入激光,激发并采集荧光,从而获取更高质量的脑部成像,其横向分辨率达到了650纳米。

该显微镜在国际上首次获取到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(超维景供图)

值得注意的是,整套微型化双光子荧光显微镜拥有完全自主知识产权,已先后申请了6项国家专利和1项国际专利,在2017年获得了科技部颁发的年度科学十大进展。2014年诺贝尔生物学或医学奖获得者Edvard.I.Moser博士称其为神经科学研究,特别是大脑空间定位神经系统提供了“革命性”的新工具,未来几年将在活体动物神经成像中占主导地位。美国著名神经科学家Alcino J Silva教授也给予了高度肯定,表示其开启的大门甚至超越了神经元和树突成像,微型化双光子荧光显微镜的问世意味着系统神经生物学正进入新时代。

超维景生物科技是北大分子医学南京转化研究院的孵化企业,位于南京江北新区,超维景将对该项技术开展进一步研发,并进行成果转化。目前公司已经同国内外多家机构进行合作,微型化双光子荧光显微镜也得以应用在金丝雀、犬等其他动物身上,并出现在德国波恩大学、马克斯·普朗克研究所等机构的实验室里,可以说,该设备为活体动物的脑神经元活动监测带来了无限可能。“它不仅可以‘看得见’大脑思维,还将在可视化研究自闭症、阿尔茨海默症、癫痫等脑疾病的神经机制及新药创制中发挥重要作用,成为脑科学研究的核心研究工具。”南京超维景生物科技有限公司应用工程师李西睿说。

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