中国科学院神经科学研究所
    神经光学成像研究组
研究方向

理解大脑的工作原理是目前最有吸引力,但也最具挑战的科学难题之一。其难点很大程度上源于异常复杂的大脑结构,以及我们现有研究技术手段的局限。本实验组的兴趣就在于发展应用于脑科学研究的光学技术。光学手段是目前最有效的一种无需侵入生物体,却能在微纳尺度上观察并操控生物活体样本的技术。基于这个特点,本研究组将从以下几个方面发展新型神经光学成像技术,从多尺度获得脑神经网络的结构和功能数据,为脑科学研究打开新的窗口:

1. 全脑神经网络结构的高分辨率光学成像与重构
      全面、精确地了解脑神经网络的连接在探索大脑工作原理的研究中起着根本基础的重要作用。相比于电子显微成像重构,光学显微重构具有速度快、穿透深度大,荧光标记灵活等特点,因而受到广泛关注。本实验组将有机结合先进的荧光标记,组织透明等技术,并发展新型光学显微成像技术,例如自适应光学技术和超分辨率光学成像技术等,实现在透明化的动物全脑对神经网络进行灵活可靠的显微成像,并发展智能的方法对神经网络进行重构。我们预计该技术能有效提高神经网络结构重构的速度和可靠性,并广泛应用于脑神经环路的基础研究。

2. 高穿透深度在体脑功能光学成像
      脑功能光学成像具有分辨率高的优点,但和其他脑成像技术相比,例如核磁成像,其穿透深度较为有限。这是由于生物体的光学性质不均匀,导致光学成像的质量会随着穿透深度的增加而快速下降,致使我们无法得到深层次的脑神经网络的结构和功能数据。目前,有多种技术来试图提高光学成像的穿透深度,例如双光子成像,三光子成像,自适应光学技术等。我们将研发新型光学成像技术,进一步提高光学成像在活体,甚至清醒动物大脑中的穿透深度,在不破坏神经连接的基础上获取深层脑区的神经元,甚至神经元的亚细胞器(胞体、树突、轴突)的电活动信息。为脑科学研究打开新的窗口。

3. 高速三维体光学神经功能成像
      在脑神经功能活动的研究中,我们希望获取尽量完整的神经网络活动信息,以便分析神经环路的输入和输出,从而理解脑神经网络的工作原理。但目前在体光学钙成像技术还无法实现大规模的神经元功能活动记录。为此,我们将发展三维体成像技术实现在清醒动物的大脑中,例如小鼠等动物模型,在大区域内同时高速记录大量神经元的钙活动信号,并保证单个神经元的分辨能力,从而为脑神经网络动态功能研究提供有力技术基础。




王 凯 博士

研究组组长、研究员
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