用于生理组学协同研究的跨层次建模标记语言(M3L)

根据生理组学多领域多层次协同研究的需求,针对中国生理组学研究的特点,设计了一种跨层次建模标记语言(Mul-tiscale Modeling Markup Language,简称M3L),规范研究过程中的信息描述方法,实现了数学模型和计算数据的开放式共享和重用。M3L包含结构化模型机制、数据存档机制、信息交互与重用机制、数学描述机制、可视化模型及附件描述机制。M3L中针对人体和小动物解剖结构数据的特殊设计实现了结构与功能信息的关联,促进了中国生理组学研究中模型和数据的标准化描述;M3L以跨层次结构化的方式描述模型,符合生理组学研究模型的特点,满足了协同开发的需求。

分子与细胞事件的光学可视化——解读2008年诺贝尔化学奖

绿色荧光蛋白(green fluorescent protein,GFP)及其突变体作为报告基因,已被广泛应用于基因表达调控、蛋白质空间定位、生物分子之间相互作用、转基因动物以及药物药效评价和作用机理研究等方面,极大地推动了现代生物学的发展.随着光电信息技术的不断进步,基于荧光报告基因的光学分子成像技术将在细胞、细胞网络、组织、器官和个体等不同层次实现分子与细胞事件的实时可视化,从而在重大疾病的早期诊断和药物研发中发挥重要作用.

基于可视中国人高分辨人体结构数据集的辐射剂量模拟研究进展

中国数字化辐射虚拟人研究是以中国数字人高分辨三维结构数据集为基础,构建可用于蒙特卡洛辐射模拟的三维计算模型,并实现X射线、中子、质子等多粒子多能级的仿真计算。论著中讨论了基于高分辨人体结构数据集的辐射模型构建过程和特点,以及蒙特卡洛模拟软件,并将剂量测定结果与现有的国外人体模型模拟数据进行了比较。中国数字化辐射虚拟人模型是具备中国人体特征的辐射模型。计算结果很大程度上补充或校正了现有放射学计量数据集,为临床放疗规划、核医药、核辐射防护设计提供精确量化参考。

子宫病变组织的拉曼光谱研究

拉曼光谱方法可以从分子水平反映组织、细胞在化学成分及分子结构上的差异,现已在细胞、组织的结构、功能及病变等方面的研究工作中取得了重大进展。文章首次利用光纤拉曼光谱仪研究了子宫肌瘤、子宫内膜癌、子宫腺肌症等子宫病变组织的拉曼光谱,并与对应正常组织的拉曼光谱进行了比较。结果表明:子宫肌瘤组织中甲硫氨酸C—S键振动引起的拉曼峰分裂成为双峰,包括一个由色氨酸振动引起的峰,并出现了一个胡萝卜素引起拉曼峰,这在正常肌层组织中没有体现出来;子宫内膜癌组织在1447cm-1处对应着CH2—CH3的变形振动,表现出组织癌变的特征峰;子宫腺肌症组织在骨架α螺旋C—C键的伸缩振动引起的拉曼峰强度明显弱于正常组织,其由C—O键弯曲振动引起的拉曼峰由正常组织的1160cm-1移至1173cm-1。以上结果进一步证实了拉曼光谱技术能在分子水平有效鉴别不同的子宫病变,这不仅有助于子宫病变的早期诊断,同时,对子宫疾病的基础研究也是至关重要的。而基于光纤的拉曼光谱技术将有望发展成一种高灵敏的诊断技术。

基于光镊技术的生物光子学

1 引言 光镊作为微纳尺度操纵与传感的神奇工具，自1986年发明以来，已广泛应用于物理、化学和生命科学等领域。其中，生物光子学作为一门新兴学科，也与光镊有着诸多天然联系。生物光子学是一门基于光子学技术与方法、面向生物科学和医学应用的学科。从科学原理来讲，它研究光子与生物组织的基本相互作用；从技术角度来看，它提供观测和操纵生物系统的方法。基于光子科学与技术的生物学和医学研究与应用都可以称之为生物光子学。

融合结构先验信息的稳态扩散光学断层成像重建算法研究

扩散光学断层成像作为一种无辐射损伤、低成本的光学在体成像技术,有着良好的应用前景,但具有空间分辨率低、难以定量的缺陷.为了提高扩散光学断层成像的分辨率,实现光学参数分布的精确重建,基于有限元方法,提出了融合结构先验信息的稳态扩散光学断层成像重建算法.该算法以扩散近似作为成像模型,通过软先验的Laplace正则化方法引入由MicroCT提供的空间结构信息.采用伴随法计算Jacobian矩阵,Levenberg-Marquardt方法用来进行迭代优化.仿真结果表明该算法不仅能获得精确的光学参数值分布,而且显著地提高了迭代收敛的速度.

噻酮提高在体大鼠皮肤光透明效果的实验研究

为探讨在体皮肤实验中最为简便有效的给药方式,将化学渗透促进剂噻酮与聚乙二醇400(PEG400)的混合溶液直接作用于去除部分角质和含角质的在体大鼠皮肤,利用CCD拍照进行直观观察,并通过反射光谱的变化来反映皮肤光透明效果,同时与单纯PEG400作用进行了,对比。结果表明:混合溶液可以使去除部分角质皮肤在15 min内反射光谱明显下降,并产生显著的光透明效果。30 min后皮肤更加透明;而单纯PEG400以及未去除角质层的完整皮肤均无光透明效果。因此,结合物理方法去除部分角质层、并添加促渗剂噻酮,能以非侵入方式、快速、有效提高PEG400对在体皮肤的光透明效果。

活细胞内多对蛋白质间相互作用的同步光学成像研究

蛋白质-蛋白质相互作用几乎调控一切生命活动,近年来发展的双分子荧光互补(bimolecular fluorescence complementation,BiFC)分析法。

递增静力性收缩中肌氧拐点与肌电活动、心率变化之间的联系

目的:研究递增静力性收缩中,反映局部肌肉氧供平衡被打破的肌氧拐点(阈)的存在性及肌氧变化与肌电活动变化、心率变化之间的联系。方法:对递增等长伸膝运动中股外侧肌处近红外肌氧、表面肌电变化及心率变化过程进行监测和分析。结果:递增等长伸膝运动中肌氧氧指标(OI)变化过程存在拐点现象,并且OI、肌电均方根值(sEMGrms)、心率(HR)3种生理参数之间呈现显著相关性(r2>0.951,P<0.001)。另外,sEMGrms及HR的上升变化过程也存在拐点现象,而且肌氧拐点(OIBp,46.4±2.1(SE)%MVC)、肌电拐点(EMGBp,50.8±1.9%MVC)和心率拐点(HRBp)三者之间没有显著差别(P>0.05)。结论:递增静力性收缩运动中也存在肌氧拐点现象,而且肌氧拐点的出现与肌电幅值及心率的急剧增加密切相关。

基于MCVM研究真实前臂结构对光传输的影响

复杂生物组织中光传输的精确模拟一直是组织光学的研究热点。利用新近发布的光在体素化三维结构组织中传输的蒙特-卡罗模拟软件(MCVM),采用目前国际上分辨率最高的人体结构数据集,模拟光在人体前臂组织中的传输,得到了组织中光吸收量的分布信息和空间分布特征,探讨了前臂组织的三维解剖结构对光传输和分布的影响。结果显示,三维解剖结构对光传输和分布有显著影响;相比于前人普遍采用光在多层组织中传输的蒙特-卡罗模拟软件(MCML)和层状模型所得的模拟结果,能更真实地反映光的传输和分布。该研究可为光动力疗法(PDT)、红外疗法等光保健与治疗技术提供定量的参考信息,具有一定的临床价值。

荧光蛋白研究进展

荧光蛋白在生物学众多研究领域中有着广泛的应用,基于荧光蛋白的分子探针和标记方法已成为活细胞或活体内动态成像研究生物大分子或细胞功能的重要工具。本文对现有荧光蛋白的种类和理化特性,及其在生物学研究中的应用进行了综述介绍。重点介绍了近年来荧光蛋白在亮度、Stokes位移、光谱改变等方面的研究进展,介绍了光转换与光活化荧光蛋白及其在超分辨荧光成像技术中的应用。最后对荧光蛋白未来的发展方向进行了展望。

前额叶皮层工作记忆作用的近红外光学成像

研制了一种实用性强的三波长近红外脑功能光学成像系统,并介绍了其工作原理.开展了基于言语性n-back作业范式的工作记忆研究,监测了前额叶(PFC)的激活状况,分析了被试行为表现数据(响应时间和正确率),考察了被试行为表现及PFC激活脑区的工作记忆负荷效应,探讨了较高记忆负荷条件下被试PFC激活量与行为参数之间的关系.研究结果表明,通过测量血氧参数的变化,运用近红外光学成像方法可以实时监测脑皮层的活动.

脑空间信息学——连接脑科学与类脑人工智能的桥梁

提出脑空间信息学是示踪、测量、分析、处理和呈现跨层次多尺度脑空间信息数据的一门综合与集成的科学.讨论了脑空间信息学的研究内容、技术体系和关键科学问题,分析了其学科定位,展望了其应用前景.以显微光学切片断层成像为核心的全脑网络可视化技术体系的建立,标志着脑空间信息学这一新兴交叉学科日臻成熟.基于具有明确时空尺度和位置信息的神经元类型、神经环路和网络、血管网络等三维精细脑结构与功能大数据,提取跨层次、多尺度的脑连接时空特征,脑空间信息学将帮助科学家更好地破译脑功能与脑疾病,并推动类脑人工智能的发展.

飞秒激光随机扫描双光子显微成像观测神经活动

揭示大脑奥秘是人类在21世纪面临的最大挑战。随着技术进步,近年来已取得重大进展。如在核磁功能成像(fMRI),正电子发射断层层析(PET)

面向恶性肿瘤早期诊断与药物研发的光学分子成像

随着光学成像技术、光学标记技术和基因组学/蛋白质组学的发展,光学分子成像在生命科学研究领域发挥着越来越重要的作用。

多色双光子成像技术进展

双光子荧光显微成像是一种非线性光学显微技术,具有高空间分辨率、高信噪比和固有的三维层析分辨能力等优点。传统的双光子荧光显微成像通常使用波长可调谐的100fs超短脉冲激光器作为激光光源。目前,人们对双光子荧光显微成像方法进行了深入研究,改进光源及探测方法是常用的手段。介绍和总结了多色双光子荧光显微成像技术的近期研究进展及其在生物医学中的应用。首先介绍了传统飞秒激光器及光学参量振荡器在多色成像中的应用,然后对光纤超连续谱在多色显微成像中的应用进行了分析,最后简要说明了增强自相位调制效应产生连续光谱以及选择性激发实现多色成像的工作。多色双光子成像技术不仅可以同时获取含有多种荧光团的待测样品的高对比度双光子荧光图像,而且具有系统结构简单、操作简便等优点,这使得其在生物医学和材料科学等领域具有广阔的应用前景,并且为生物医学诊断与研究提供了一种有效的工具和平台。

飞秒激光的无惯性扫描与显微成像

声光偏转器作为扫描器件没有机械惯性,具有扫描速度快、稳定性好的优点,但扫描飞秒激光受限于声光效应与晶体严重的空间色散和时间色散。采用单个棱镜同时补偿了这两种色散,实现了飞秒激光的无惯性扫描,并成功建立了飞秒激光快速随机扫描显微成像系统。另外还发展了高斯飞秒激光经角色散后的时空演化理论。

高散射介质后向散射模式的三级近似

生物组织是混浊介质，光住介质中的传输主要是弹性散射.偏振光准直入射混浊介质表面，利用介质的多次后向散射偏振模式或Mueller矩阵的径向、方位变化的敏感性可确定介质的某些特性.如确定混浊悬浮液的粒子尺寸、浓度和各向异性因子；鉴别癌和非癌的细胞悬浮液体；确定介质的旋光特性等.

飞秒激光刺激诱导星形胶质细胞调控海马神经元同步钙振荡

大量证据表明星形胶质细胞通过钙信号积极参与脑功能.在星形胶质细胞的功能研究中,诱导其产生钙信号是一项关键技术.然而,传统的刺激方法不能同时满足非接触、无损、高时空精度的要求,本研究小组提出的飞秒激光刺激星形胶质细胞的方法能够弥补这些不足.在此基础上,验证了该方法在海马神经网络水平上研究星形胶质细胞功能的应用.混合培养的海马神经网络中,星形胶质细胞被飞秒激光刺激后:(1)诱导神经元同步钙振荡;(2)即时性干预神经元自发同步钙振荡;(3)调制神经元的高频自发同步钙振荡.因此,通过演示光诱导的星形胶质细胞钙信号调控海马神经元同步钙振荡,证明飞秒激光刺激方法能够为星形胶质细胞在神经网络中的功能研究提供强有力的工具.