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港大伙加州大学伯克莱分校研发超高速成像技术

2022-09-27 14:15
香港
来源:澎湃新闻·澎湃号·政务
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受试中的小鼠:利用FACED显微镜对清醒小鼠进行脑血流成像的示意图

(原新闻稿已于9月7日发布)

香港大学(港大)电机电子工程系与加州大学伯克莱分校研究人员组成的研究团队,利用合作开发的超高速显微镜成像技术,成功清晰捕捉一只小鼠在清醒时大脑血液单个细胞流动的动态图像,是首支研究团队达至此成果。研究团队开发的新高速成像技术,比目前最先进的技术至少快100倍,能清晰显示正在高速移动的目标物。新技术提供了重要的工具,让神经学家更深入认识大脑内部的运作,尤其有助了解个别脑血管以至较大规模跨血管网络的血流变化。而这些血流变化,对解构健康和患病(如阿尔茨海默病、中风者等)的大脑在传递和调节能量上的差异,提供非常重要的线索。

成像装置:FACED成像系统的典型构造

研究成果刚于《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences PNAS)发表,论文题为《小鼠体内大脑血液循环的超快速双光子荧光成像》(Ultrafast two-photon fluorescence imaging of cerebral blood circulation in the mouse brain in vivo)。

跨学科研究小组由加州大学伯克莱分校分子与细胞生物系的Ji Na教授,以及港大生物医学工程项目主任、电机电子工程系谢坚文教授带领,成员包括工程师及神经生物学家。

目前大多数的显微镜成像技术运用的是单光子荧光技术,采用的聚焦扫描机制,成像速度缓慢,意味着它们只能捕捉到在麻醉状态下静止动物的低流速机体。

研究团队研发的超高速双光子荧光成像技术,相比其他黄金标准的显微镜技术,光线能更深入穿透组织,更快速捕捉移动的机体,在动物清醒活动时,也能清晰捕捉像今次研究的脑血管中快速移动的红血球细胞。这对大脑研究非常重要,由于大脑活动通过血液供给能量,了解红血球流动的情况能为解构脑活动提供重要线索。

「其他脑成像技术的一个主要局限是图像的解像度 – 清晰度。我们的技术能够处理这些高速运动的图像,比目前最先进的技术至少快100倍,并以单个血细胞的精度进行捕捉。你可以计算细胞数量并追踪它们的轨迹。」谢教授说。

利用目前的低流速技术,血液流动呈现模糊和混乱的轨迹。而利用新的双光子荧光技术获得的图像得以显示更多的细节,清晰至快速移动的单个细胞。

研究组于2020年首次发表研发的高速双光子荧光技术,当时他们成功记录了清醒老鼠的神经元内毫秒级的电信号。今次他们应用于血细胞成像,进一步扩大了技术的潜力。谢教授的团队也同时应用新技术于追踪分辨血液中的癌细胞作癌症筛查。

「今次的单个血细胞体内成像的研究成果,是早前高速双光子荧光技术研究的延伸,证明新技术可拓展至其他神经科学领域的研究,特别是大脑血液动力学,即血液流向大脑的动态状况。」谢教授说。

在《美国国家科学院院刊》2022年第119卷第23期上发表的论文《小鼠体内大脑血液循环的超快速双光子荧光成像》(Ultrafast two-photon fluorescence imaging of cerebral blood circulation in the mouse brain in vivo)连结。

文章连结:

Ultrafast two-photon fluorescence imaging of cerebral blood circulation in the mouse brain in vivo

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2117346119

 

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