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分辨率提高16倍!新型顯微鏡技術(shù)清晰重現(xiàn)大腦復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)
2025年05月12日 10:19:58 來源:化工儀器網(wǎng) 點擊量:5630

近日,奧地利科學(xué)技術(shù)研究所(ISTA)和谷歌研究院團(tuán)隊開發(fā)的一種新型顯微鏡技術(shù)“LICONN”(基于光學(xué)顯微鏡的連接組學(xué)),為揭開大腦奧秘提供了助力。

  人腦是非常復(fù)雜的生物系統(tǒng),擁有上千億個神經(jīng)細(xì)胞(神經(jīng)元);神經(jīng)元之間有復(fù)雜的神經(jīng)纖維連接,通過百萬億個連接點(突觸),形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和主導(dǎo)各種腦功能的神經(jīng)環(huán)路。要理解這個復(fù)雜的系統(tǒng),就需要超高分辨率的光學(xué)設(shè)備輔助觀察。
 
  就在近日,奧地利科學(xué)技術(shù)研究所(ISTA)和谷歌研究院團(tuán)隊開發(fā)的一種新型顯微鏡技術(shù)“LICONN”(基于光學(xué)顯微鏡的連接組學(xué)),為揭開大腦奧秘提供了助力。相關(guān)論文發(fā)表于《自然》雜志。
 
  隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,以及健康需求的不斷提升,腦科學(xué)研究不僅可以使我們理解認(rèn)知、思維、意識和語言等腦功能原理,對人類認(rèn)識自身有重大科學(xué)意義,還能夠?qū)Ω鞣N腦功能神經(jīng)基礎(chǔ)進(jìn)行解析,對有效診斷和治療腦疾病有重要臨床意義,腦科學(xué)所啟發(fā)的類腦研究也將推動新一代人工智能和新型信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
 
  新型顯微技術(shù)“LICONN”能夠重現(xiàn)腦組織以及神經(jīng)元之間的所有突觸連接。它利用標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)顯微鏡進(jìn)行圖像采集,并將復(fù)雜的分子機(jī)制與神經(jīng)元結(jié)構(gòu)可視化。就像一個“拼圖高手”,將每個突觸連接正確地與其對應(yīng)的神經(jīng)元相連,組裝出復(fù)雜的大腦網(wǎng)絡(luò)。
 
  要獲得高清晰細(xì)節(jié),分辨率必須極高,在幾十納米左右。為此,在此次研究中,科研團(tuán)隊利用了水凝膠的化學(xué)和物理特性。水凝膠能吸水膨脹,但膨脹過程受到嚴(yán)格控制。他們將大腦組織嵌入水凝膠中。細(xì)胞成分與水凝膠相連,使細(xì)胞的精細(xì)超微結(jié)構(gòu)被印在水凝膠上,保留下來以供顯微鏡觀察。
 
  傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的分辨率通常為250—300納米,新技術(shù)將有效分辨率提高了16倍,達(dá)到了20納米以下。
 
  與此同時,谷歌的人工智能技術(shù)能在更大范圍內(nèi)自動識別神經(jīng)元及其復(fù)雜結(jié)構(gòu),使重建所有細(xì)胞成分這一艱巨任務(wù)變得切實可行。
 
  通過遵循這一全面的流程,團(tuán)隊創(chuàng)建了大腦網(wǎng)絡(luò)的3D渲染圖,不僅精確地重現(xiàn)大腦組織,還可視化了神經(jīng)元連接和網(wǎng)絡(luò)??蒲袌F(tuán)隊表示,新型顯微技術(shù)“LICONN”使科學(xué)家離拼裝出哺乳動物大腦圖更近了一步,也有助于更好地理解大腦在健康和疾病狀態(tài)下的功能。未來,隨著技術(shù)的優(yōu)化升級,更高分辨率、更高精確度的顯微技術(shù)有望問世,為醫(yī)療科學(xué)研究等領(lǐng)域提供堅實支撐。
 
  素材來源:科技日報
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