低温光学显微成像技术的研究进展

概述了低温对生物组织结构、生化反应及荧光特性的影响,总结了现有低温光学成像系统的结构和特点,从生物组织的三维结构信息和代谢、功能信息两个方面,对低温光学显微成像技术在生物学上的应用进行了回顾。认为随着技术的发展,低温光学显微成像技术将在获取大体积生物组织精细结构、探索与评价肿瘤治疗方法、研究代谢类疾病及神经系统疾病的代谢异常上发挥更大的作用。

利用受体漂白荧光共振能量转移技术研究β-分泌酶在活细胞内的二聚化

β淀粉样肽(Aβ)在阿尔茨海默病(AD)患者脑内的产生、聚集和沉积是AD的一个固有病理特征,也被普遍认为是AD的重要发病机理之一.β-分泌酶(BACE)对淀粉样前体蛋白(APP)的裂解是Aβ产生的关键步骤,β-分泌酶抑制剂是AD药物治疗的一个重要发展方向,因此对BACE结构的了解具有重要意义.利用受体漂白荧光共振能量转移(FRET)技术首次在活细胞内研究BACE的二聚化结构.通过基因工程技术分别构建了青色荧光蛋白(CFP)和黄色荧光蛋白(YFP)标记的全长BACE(BACE-FL)和BACE活性部分(BACE-NT),应用共聚焦荧光显微镜和受体漂白FRET技术研究了BACE-FL和BACE-NT在细胞中的表达和定位,以及它们在活细胞内的存在形式.实验结果表明:a.BACE-FL在内质网至细胞膜均有表达,主要分布在高尔基体、细胞膜和内体等细胞器中,而BACE-NT则被滞留在内质网里.b.BACE-NT是单体结构,而BACE-FL在活细胞内则以二聚体的形式存在.证明,BACE的跨膜序列和C端对BACE的转运和定位具有重要作用,其二聚体结构由这些序列决定,而不由其活性位点决定.

免疫光子学进展

光学分子成像是在复杂生物体中同时描述多种分子和细胞功能的最佳手段。作为机体发挥防御、监视和自稳功能的免疫系统,研究者们正面临着如何将其作为一个真正的系统来研究的挑战。免疫光子学是指基于光子学原理和方法的活体免疫光学成像和免疫光子治疗。以多光子激发显微成像和光声层析成像为代表的高时空分辨活体成像技术,以荧光蛋白为代表的活体长时程标记方法,使得光学分子成像成为引导免疫学研究走向系统化与可视化道路的主力军。本文从免疫学的特点出发,介绍活体光学成像技术和分子探针的发展,综述其在免疫学研究中的应用,并展望免疫光子学今后的发展方向。

基于非均匀有理B样条的中国数字人女性可变3D模型的构建

目的建立包含内部器官,特别是生殖系统的中国数字人女性3D模型,并实现可变模型构建。方法对"中国数字人女一号"高分辨率数据集的原始彩色断层切片数据进行自动分割和半自动交互分割,将分割后的二值化数据转化为基于非均匀有理B样条的三维曲面,进行三维重建。结果得到了各器官3D模型,女性生殖系统模型清晰显示出各生殖器官的空间形态和位置关系。结论经过对中国女性数字人断层图片的处理,得到了器官完整的可变3D模型,便于构建个体化计算模型,开展航天辐射防护、临床放射治疗等方面的研究。

脑内各向异性扩散传质与吸附反应过程数值分析

对脑组织内传质过程的机理及其影响因素进行了分析,建立了综合考虑脑内物质各向异性扩散、吸附和反应过程的数学模型,模型方程采用隐式控制容积法进行数值求解.计算结果表明:组织迂曲度越大,物质的扩散越慢,当某一方向迂曲度较小时,物质浓度明显增大,物质扩散变快,由于脑组织的非均质性,脑内物质的扩散传递存在着竞争现象;吸附与反应作用会抑制脑内物质传递,吸附速率越大,抑制现象越明显,对于脑内非线性的米氏反应过程,当反应速率常数增大时,稳定浓度会显著减小,同时米氏常数的增大则会使得稳定浓度值增大.相较于吸附过程,米氏过程的抑制性作用更为明显.

基于可视中国数字人体素模型的比吸收分数计算

目的开展器官比吸收分数的计算研究,以定量计算人体的内照射剂量。方法在高分辨可视中国人三维解剖结构数据集基础上,对原始图片进行分割、标识、赋值和低抽样,构建了基于体素数据的内辐射模型。采用基于蒙特卡洛方法的MCNPX软件,模拟了光子在人体器官组织间的传输过程,得到了各能量下源器官对目标器官的比吸收分数,并与中国数学模型的计算结果进行了比较。结果两组数据在趋势上具有相似性,说明了计算方法的正确性;体素模型的计算结果较数学模型大,主要源自模型间器官质量和器官距离的不同;数学模型中部分结果具有明显差异性,说明其计算结果可能不准确。结论基于中国数字人体素模型计算的比吸收分数,提供了更为准确和可靠的数据。

基于并行处理技术的谷物粒型快速测量算法

谷物粒型是决定谷粒品质和产量的重要参数之一。传统人工测量粒型的方法耗时、工作量大、主观性强。本文首先介绍一种基于线阵列采集技术和工业输送技术的谷物粒型自动测量系统。为提高系统测量效率,文章中应用了图形处理器(GPU)并行处理技术,在统一计算设备架构(CUDA)下对测量算法进行优化。实验结果表明,基于GPU的并行加速算法,能有效提高测量效率,当图像中谷粒数近2000颗时,优化后的算法速度为中央处理器(CPU)下算法运行速度的400多倍,且随着采集图像中谷粒数的增多,优化测量算法的加速效果更显著。

快速多极边界元法用于扩散光学断层成像研究

在求解扩散光学断层成像中的正向问题时,目前普遍采用有限元法,但是随着实际模型规模的增大,有限元法的计算量问题日益显著,而边界元法则由于可以降低计算维度使计算量减少而备受关注.本文以均匀的高散射介质为模型,研究了将快速多极边界元法用于扩散光学断层成像的正向问题.快速多极边界元法利用核函数的多极展开,将常规边界元法中系数矩阵和迭代矢量的乘积项等价为相应四叉树结构的一次递归,再结合广义最小残量法进行迭代求解.将计算结果和蒙特卡罗法的模拟结果进行了比较,表明利用快速多极边界元法的模拟结果和蒙特卡罗法的结果有很好的一致性.研究结果验证了快速多极边界元法可以用于扩散光学断层成像,为其大规模和实时成像带来可观的前景.

水稻表层根系性状无损测量技术研究

水稻根系性状和产量之间存在着联系,通过根系育种来改良水稻品种成为未来研究的趋势之一。为研究水稻根系相关性状,设计了一种可以动态无损测量水稻表层根系的方法。将水稻植株种植于透明PMMA管中,利用可见光成像并结合图像处理技术,计算获取27个水稻表层根系性状。结果表明,水稻表层根系32~42 d生长速率达到最大,随后生长减缓或者死亡;质心位置在22~54 d下移较快,随后变化较小;表层根系与地上部分面积之比同产量之间存在类似于正态分布的关系,比例在0.45至0.65之间时产量较高;表层根系从上至下覆盖率递减,但不同品种水稻表层根系分布不同,最上方区域的表层根系覆盖率从最大45%到最小25%。该结果对水稻根系性状无损测量进行了初步探索,并对深入了解水稻根系结构和功能,以及推动植物表型组学的发展具有一定作用。

像面散斑平均尺寸对激光散斑成像的影响

以激光散斑衬比分析为基础的激光散斑成像技术,是一种无需扫描的全场光学成像方法,在监测生理及病理状态下组织血流动态变化中的应用日益广泛。在实际应用中,像面散斑平均尺寸等多种因素影响散斑衬比值,使得该技术在反映血流变化的准确性方面受到影响。采用一种成像散斑计算机模拟方法研究了像面散斑平均尺寸对成像散斑统计特性的影响,分析了成像参数与像面散斑尺寸的定量关系,并通过物理模型实验对模拟结果进行了验证。研究结果确认了合理的像面散斑平均尺寸计算公式,证实了散斑衬比值随像面散斑平均尺寸增大而减小的现象,并为确定合理的成像参数提供了依据。

培养神经元网络自发放电序列的非线性特征

神经自发放电活动对于神经发育、神经系统基本功能及学习记忆等高级功能的维持具有重要意义.为了研究神经自发放电序列的动力学特征,我们利用多电极阵列系统长时间、连续记录了体外培养海马神经元网络的自发活动.在发育过程中网络的放电模式复杂多变,峰峰间隔序列中出现分岔现象.为深入分析其非线性特征,引入锋电位序列密度函数、非线性预测和替代数据等多种方法分析锋电位序列,结果显示培养神经元网络的自发放电活动中存在混沌这一重要非线性现象.该研究结果有助于认识神经系统的动力学特征,进一步推动人们对神经编码机制的理解.

结合光片照明与超分辨的三维荧光显微成像

随着科学的进步,生命科学的研究对象由单个器官向组织体、离体组织切片及发育过程中的活体胚胎转变。荧光特异性标记的出现,为追踪物质在单细胞、组织体、器官甚至整个胚胎内的转移过程提供了手段。为了实现整个追踪过程,需要对活体胚胎进行无损、非侵入式的亚细胞级别成像,这就对荧光显微技术提出了更高的要求。在传统荧光显微技术基础上发展了光片照明和超分辨荧光显微技术。前者通过选择平面照明方式,只激发探测物镜焦平面附近的样品,因其具有高穿透深度、低漂白和高成像速度而广泛应用于三维活体组织成像;后者利用特殊的光调控手段将显微镜的分辨率提升至纳米水平,成为研究亚细胞水平生命活动的有力武器。通过介绍2大技术的发展、融合以及目前所遇到的问题,探究新型的、适宜观察三维厚组织样品亚细胞结构和生命过程的成像方法。