免疫光子学--光子学理论与技术在免疫可视化与治疗研究中的应用

回顾免疫学发展史,每一次研究手段的重大突破与创新都极大地促进了免疫学科的发展.近10多年来,光学分子成像技术飞速发展,以其多色、时空动态、高分辨、跨尺度等优点,为直观可视化描述机体内复杂的细胞与分子事件提供了有效的手段.免疫学的系统化整合性研究已成为发展的大趋势,要真正解决免疫学重大科学问题需要依赖于多学科的密切交叉与合作.在此背景之下,免疫光子学这一交叉学科悄然兴起.

神经元形态重建工具的研究进展

近年来,分子标记和显微光学成像技术的系列突破,使得单细胞分辨的全脑尺度神经群落成像成为现实.然而,现有神经元形态重建工具的发展速度远远滞后于海量数据的产生速度,难以满足现阶段成像数据的分析需求.在此背景下,我们首先分析了神经元形态重建工具发展滞后的原因,简述现有半自动和全自动神经元形态重建工具的特点和最新发展,并结合现有工具的特点分析其向高通量、高准确度重建工具发展时面临的挑战.最后,我们对未来形态重建工具的发展趋势及应用前景做出展望.

生物医学中的化学成像:光学显微镜的下一个研究前沿

光学显微镜的技术革新将极大地改变生物系统的研究方式。虽然荧光显微成像是目前细胞成像的首选方法,但在"组学"时代,荧光探针分子量过大且通常不能应用于5种颜色以上的标记和成像,其应用受到极大的限制。因此提出了两种化学成像策略。首先,设计了一种适于探测生物小分子动力学的活细胞生物正交化学成像平台。该方案将新兴的受激拉曼散射显微镜与微小的拉曼探针(例如炔烃、腈和包括2H和13C的稳定同位素)结合,并应用在众多生物医学研究中,如脂肪酸代谢和毒性、葡萄糖摄取和代谢、药物传输、脑内蛋白质合成、DNA复制、蛋白质降解、RNA合成和肿瘤代谢等。其次,发明了一种超多路复用光学成像技术。开发了电子预共振受激拉曼散射(EPR-SRS)显微镜,实现了优良的振动选择性,具有高的通用性和灵敏度。化学上,创建了由独特的新型染料组成的振动调色板,结合共轭和同位素编辑的三键,在拉曼频谱寂默窗口具有良好和单一的拉曼峰。目前可标记24种不同的颜色,并具有进一步扩展的巨大潜力。使用这种方法,监测了培养神经元和脑组织中的DNA及蛋白质的代谢。这种超复用光学成像方法有望促进复杂生物系统中相互作用关系的解开,并且可以在光子学和生物技术中找到更广泛的应用。

β淀粉样蛋白斑块的高分辨全脑三维定量研究

中枢神经系统中β淀粉样蛋白斑块是阿尔兹海默症的主要病理特征之一,其负荷和数目的变化是病程发展的重要标志.已有研究主要是对局部脑组织进行二维切片成像,尚缺少在全脑三维空间对斑块进行高分辨率定量分析的研究方法.本文建立了适用于哺乳动物三维完整脑内β淀粉样蛋白斑块定量分析策略,包括全脑斑块快速荧光染色方法、基于荧光显微光学切片断层成像技术的高分辨全脑数据获取,以及斑块自动定位、统计数目等.与免疫组化染色比较,证明本方法对直径大于10μm的斑块检出率为97.71%±0.18%.并以0.32μm×0.32μm×2μm的成像分辨率,获取了5XFAD转基因小鼠全脑Aβ斑块分布数据集,首次以脑区/核团的三维轮廓划分出立体区域,定量统计了90个亚区内Aβ斑块的数量及分布密度.本文建立的快速、精准、价廉的方法将有助于全面高效地研究阿尔兹海默症致病机理和药效评估.

活体颅骨光透明方法及应用(特邀)

颅骨的高散射极大地限制了光学技术在活体脑成像中的应用。开颅窗和磨薄颅骨窗等基于手术的“颅窗”让皮层神经-血管观测成为可能,但各有局限性。近年来发展的活体颅骨光透明技术,以一种更方便、更无创方式建立光透明颅窗。本文主要介绍活体颅骨光透明的发展及应用:1)颅骨光透明方法;2)基于光透明颅窗的细胞及血管成像;3)透过光透明颅窗,实现皮层光操控,包括结合光动力效应打开血脑屏障或实施靶向栓塞、基于激光损伤的靶向出血性脑卒中建立、以及在光遗传学方面的应用等。最后,对活体颅骨光透明技术未来的发展和应用做出展望。

荧光分子层析成像图像重建研究进展

荧光分子层析(FMT)成像是一种具有深度分辨能力的宏观光学成像技术,可定位和量化生物体内的荧光分子探针,在蛋白质相互作用研究、药物作用机制解析以及肿瘤治疗效果评价等方面具有巨大的应用潜力。然而,FMT的一个关键挑战是其逆向问题具有高度病态性,这意味着图像重建对测量噪声及各种数值误差非常敏感。要获得良好的图像重建结果,除了尽可能提升系统的性能以减小测量噪声外,还主要取决于两个方面:一是提高正向问题求解的精度以降低数值误差;二是缓解逆向问题的病态性使其抗噪声能力更强。本综述介绍了目前FMT图像重建在这两个方面的研究进展。

多通道神经电生理刺激软件的设计与实现

目的 设计并实现一种通用的多通道神经电生理刺激实验平台软件.方法 从逻辑架构上采取软硬件分层的设计,避免了对具体硬件的过度依赖.在保证与现有设备兼容的前提下,基于.NET Frameworks平台开发可扩展的控制算法,实现多通道、可反馈的程控刺激输出.软件具有刺激/记录功能,可在实验过程中动态改变刺激程序与切换电极,且具有良好的人机交互界面.结果 测试结果表明,该软件可稳定控制刺激器,并根据用户提供的参数（选定电极、幅值、间隔等）生成随机刺激序列和同步控制信号;在刺激序列中各电极切换时延为600 ms级.结论 该软件对现有设备系统具备良好的兼容性,可针对多导联神经电生理刺激研究的特性和需求实现多通道、实时 、可反馈的程控刺激输出,允许在运行时动态改变刺激程序并切换电极,为网络层级神经网络反馈回路的机理研究提供了工具.

浅部真菌病荧光染色显微成像及计算机辅助诊断系统的初步临床应用

目的评估荧光染色显微成像及计算机辅助诊断系统(AFMICADS)在临床上辅助诊断浅部真菌感染的准确性。方法2018年7-9月选择华中科技大学同济医学院附属协和医院各临床科室门诊及住院疑似浅部真菌感染患者106例,送检标本126份,其中皮肤鳞屑83份,甲屑43份,分别进行常规镜检、改良沙氏培养基培养及荧光染色镜检(人工荧光镜检和AFMICADS荧光镜检)。以常规镜检和/或真菌培养阳性(仅满足任意1项即可为阳性)为标准,计算3种镜检方法的准确率、敏感性和特异性。统计分析采用SPSS10.0软件,McNemar检验和Kappa检验分析3种镜检方法与常规镜检和/或真菌培养结果的差异及一致性,诊断符合率检验分析3种镜检方法两两之间一致性的差异。结果126份标本中,人工荧光镜检阳性124份(98.4%),AFMICADS荧光镜检阳性123份(97.6%),阳性率均高于常规镜检和/或真菌培养法[阳性98份(77.8%),均P<0.001]。AFMICADS荧光镜检的敏感性为100%,特异性为10.7%,一致性为80.2%;人工荧光镜检的敏感性100%,特异性7.1%,一致性79.4%,两种方法的一致性差异无统计学意义(P>0.05)。结论AFMICADS荧光镜检浅部真菌感染标本的一致性与人工荧光镜检相当。

神经元形态重建进展及趋势

神经元形态重建是指从图像中挖掘表征神经纤维特征的量化数据.该技术在神经元类型识别、神经回路绘制、脑图谱构建等众多脑科学基础研究中发挥重要应用,也会为人工智能领域的多项研究提供有益借鉴.近年来,分子标记和成像技术的系列进展将全脑尺度神经元网络研究推向前所未有的尺度,但也对现有神经元形态重建方法提出若干挑战.在此背景下,本文简述国内外神经元形态重建研究现状和经典方法,论述单神经元重建到神经群落重建是领域发展的必然趋势,并对神经元形态重建的未来发展方向做出展望.上述内容有助于我国研究者迅速了解神经元形态重建领域的最新动向,发展与现有数据特点相匹配的神经元形态重建方法.

神经元图像大数据的弱监督自动识别技术

在介观尺度上,小鼠大脑图像的数据量可达到10 TB量级,人脑数据量则达到惊人的几十PB,从海量脑图像数据中识别和分析神经元的形态是一项复杂且具有挑战的任务。当前研究人员提出了基于传统机器学习和深度学习的神经元识别算法,其中传统机器学习方法存在迁移、泛化能力较差的问题,基于深度学习的算法虽然可以通过海量精确标注的训练数据提高模型的泛化性,但缺乏精确且丰富的图像标记数据集,因此同样存在过拟合和泛化能力弱等问题。本文提出了一种基于深度学习的弱监督神经元识别方案,仅需要少量有标注的数据,即可通过迭代策略获取海量神经元图像的精确识别结果,具备较强的泛化能力,并最大限度减少人工参与量。该方法在fMOST、BigNeuron等数据集上进行了实验,自动识别精度F1值分别为0.9247和0.8318,优于其他对比的神经元识别算法。