某科學の超電報

以光學探究神經生理的技術性革命!果蠅活體全腦觀察

大腦無疑是動物體中最重要的器官,由成千上萬神經細胞集合而成,無時不刻在進行思考、做出決策,同時也是意識與記憶的中樞,可謂是對我們的生活舉足輕重。

然而,這樣重要的大腦,我們對它的所知卻相當有限。

就目前而言,關於「意識是什麼」、「記憶如何儲存和提取」、「神經的運作是如何產生思考或決策結果」都是當代學術界重點關注的未解之謎,為了一探腦中的秘密,全世界都在發展各式各樣的新科學與儀器技術,而台灣的優秀團隊也同樣不落人後。

在科技部計畫的支持下,臺大物理系朱士維教授成立跨領域團隊,和清大電機系李夢麟教授、楊尚達教授、工程與系統科學系吳順吉副教授、跟交大光電學院詹明哲副教授,以及捷絡生技林彥穎執行長,共同研發「新穎光學顯微鏡成像技術平台」。

合影:左起科技部生科司副司長、科技部謝達斌政務次長、臺大物理學系朱士維教授、清大生醫工程與環境科學系朱麗安助理教授。圖/科技部

研究團隊著重於影像對比、空間解析度、取向速度、穿透深度共四個面向,企圖開發更為精準的觀察儀器與技術,並藉由研究與人腦神經網路運作機制類似的果蠅,來逐步探究人腦的奧秘。

在對比、解析度、深度的技術上,研究團隊突破發展出「深組織超解析光學技術1」(COOL, Confocal lOcalization deep-imaging with Optical cLearing),結合螢光蛋白標定、共軛焦掃描顯微鏡(對比)、光學組織澄清技術(深度)和定位顯微技術(解析度)等先進科技,以非侵入的方式在20奈米的空間解析度下分辨出腦中相鄰纏繞的神經纖維分布,找出連結點,便藉此判斷神經連結路徑。

透過朱教授團隊研發的「深組織超解析光學技術」,將兩條緊密交纏的神經纖維清楚分離開來。右下插圖為相同神經與染色,傳統共軛焦影像無法分辨神經纖維的細緻結構。圖/科技部

而在速度與深度方面,則研發出世界上第一個可在果蠅活體全腦中以毫秒解析度觀察三度空間神經動態行為的「高速全腦體積成像系統2」,並擴充自製光學神經激發系統,用光精準刺激個別神經,再結合高速體積成像,以自動化影像分析,定位有反應之神經區域,真正達到「全光學生理2」的觀察,成功解析了果蠅腦中的視覺神經迴路上下游的神經連結與編碼模式,以了解相關腦神經的運作。

另外,研究團隊更在對比與深度上發現以往技術的盲點:現有可穿透鼠腦組織的「雙光子影像系統」無法在果蠅腦中成像的主因,可能是其氣管結構所造成的像差,研究團隊完成了此像差的組織光學衰減定量,同時也證明使用「長波長三光子螢光3」便能改善影像,有機會進行果蠅的活體全腦觀察

上圖的雙光子螢光影像在活體果蠅全腦約100微米深度即無法穿透,然而下圖的三光子螢光技術則可以穿透活體果蠅全腦。圖/科技部影片截圖

目前整個研究團隊在科技部的支持下,持續發展最新的光學技術,並與「腦科學研究特色中心」緊密合作,期待未來能實現「功能性全腦連結體 (connectome)」觀察,亦即同時具備高時間解析度(毫秒)、高空間解析度(次微米到奈米)、以及高穿透深度(釐米)的影像技術,來觀察果蠅活體全腦中每一個神經細胞在學習與記憶時的動態連結,以揭曉大腦運作的謎底。

註解:

  1. 「深組織超解析光學技術」的相關成果已於去年發表在 iScience,發表論文:Imaging through the Whole Brain of Drosophila at λ/20 Super-resolution。朱教授更因相關研究貢獻,受光學領域頂尖期刊 Light : Science and Applications (IF > 14) 邀請撰寫介紹文章:Optical microscopy approaches angstrom precision, in 3D!
  2. 「高速全腦體積成像系統」與「全光學生理」的相關成果已於去年發表在 iScience,發表論文:All-Optical Volumetric Physiology for Connectomics in Dense Neuronal Structures
  3. 「三光子螢光」的相關成果已於去年發表在 Biomedical Optics Express,發表論文:Optical properties of adult Drosophila brains in one-, two-, and three-photon microscopy

資料來源:


你能在喪屍末日存活嗎?絕沒想過的求生指南!

《可能性調查署2》上線囉!接下來每周都會有新影片,快去按讚訂閱開啟小鈴鐺

關於作者

PanSci

PanSci的管理者通用帳號,也會用來發表投稿文章跟活動訊息喔。

網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策