脑膜淋巴管:联通中枢神经系统与外周免疫的门户

传统观点认为,大脑是一个免疫豁免的独立器官。但随着研究不断深入,脑膜淋巴管的发现颠覆了这一认知,它的存在表明大脑与外周免疫之间存在着直接的物理和功能联系。脑膜淋巴管不仅参与脑脊液引流,清除脑内代谢废物,也发挥免疫监视和维持脑内免疫稳态的作用,对中枢神经系统疾病的发生发展具有重要影响,是联通脑与外周免疫系统的重要门户。本综述围绕脑膜淋巴管的解剖学结构、生理功能及其在神经系统疾病中的作用进行回顾,总结近年来的研究进展,并展望与之相关的可能研究方向与临床应用前景。

医工信交叉人才培养的探索与实践

医工信交叉的不断发展为人类健康事业和生命科学研究起到了关键性作用,如何培养与学科、社会发展相契合的专业人才,是如今医工信学科大类及产业进步所需面临的重要问题。本文讨论了培养交叉融合型专业人才的必要性、培养现状、存在问题,并详细介绍了浙江大学医工信交叉人才培养的对策和成效。

微型化显微成像系统的关键技术及研究进展(特邀)

神经环路动态功能的解析是当前脑科学领域的重点和难点,微型化显微成像技术为其研究提供了重要手段。相较于双光子荧光成像和光纤光度法,微型化显微系统能够在模式动物自由活动状态下进行长时程、单细胞分辨率、实时成像。近十几年来,科学家们围绕可穿戴、高稳定性要求,先后研制了单光子、多光子成像系统,并从荧光探针、光电子元件、数据传输等方面进行不断优化,提升系统性能,扩展应用范围。将从成像原理、基本结构、系统优化、应用方案及未来发展方向等方面对微型化显微成像系统进行分析和讨论,综述各方向研究进展,旨在为该领域技术提升和神经科学应用提供参考。

全软体动物运动控制对仿生机器人设计的启发

如何实现灵活准确的运动控制是仿生软体机器人研究中的一个重要难题.但对全软体动物而言,经过长期进化选择,其神经系统运动控制功能和骨骼肌肉系统的运动执行功能之间的优越配合,可以产生灵活多样、收放自如的运动,且具有良好的环境适应性.因此,对软体动物的运动控制机制进行深度仿生研究可以为提升软体机器人的性能提供新的思路.本文选择水母、水蛭、线虫、果蝇幼虫等无脊椎全软体动物作为分析对象,介绍其运动行为的神经肌肉基础,并结合相关神经力学模型介绍全软体动物运动神经控制机制的特性.通过对比不同的仿生机器人与全软体动物原型,提出了借鉴神经力学模型对仿生机器人设计进行改进的思路.最后,分析了现有全软体动物运动的神经力学模型的不足,提出了系统性研究全软体动物运动控制机制和神经力学建模的思路,并展望了软体机器人进行运动控制仿生的方式以及高性能软体机器人的潜在应用场景.

天然免疫和获得性免疫异常在阿尔茨海默病发生发展中的作用

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是最常见的神经退行性疾病,其典型病理特征包括脑中细胞外沉积的β淀粉样蛋白(amyloid-β,Aβ)和神经元内由高度磷酸化的tau蛋白组成的神经纤维缠结(neurofibrillary tangles,NFTs)。虽然AD的发病机制还没有被完全阐明,但近来越来越多的证据提示,免疫系统失调与AD的发生发展密切相关。该综述总结了AD发病机制中与免疫相关的病理变化,重点关注了天然免疫和获得性免疫的相关机制及其相互作用,以期为AD的发病机制提供新的见解以及为未来AD的免疫相关研究提供新的方向。

“生物医学光子显微与多模态成像”专题前言

从上世纪至今,光学显微技术为生命科学和医学研究带来了革命性的进步。每一次显微技术的突破,都给生物医学研究带来里程碑式的发展。近年来,生物医学光子学应运而生,其利用光子学的原理和技术来探究生命科学,是研究生命系统的交叉学科。其研究内容包括:在生命科学领域,在分子水平上对生物组织结构与功能进行监测与调控.

纳米光遗传探针的发展与应用

作为光遗传学的重要工具,纳米光遗传探针用于实现对生物体神经元的光刺激,能够辅助神经科学家更具特异性地探索大脑的工作机制,有望用于神经疾病的发病机理分析和治疗。研究人员针对光遗传学刺激的刺激强度、刺激范围、刺激模式、时空分辨率等要求,开发了具有不同光学功能的探针,也针对丰富探针功能如原位电生理记录、化学或生物分子递送等要求,开发了多功能的神经探针。为克服传统光电子器件刚性不可弯折、易对生物体造成损伤等弊端,柔性光学神经探针应运而生。这一类探针在植入时对生物体的损伤小,在植入后能够维持稳定的出光强度,其使用寿命得到保证。本文围绕不同类型、不同功能的光遗传探针以及光遗传探针中的柔性技术进行综述和展望。

用于哺乳动物行为研究的多通道光遗传系统

为了实现在活体小鼠脑中多部位的光纤记录和区域可选择的光刺激,开发了一套集成度高、参数可独立调控的多通道光遗传系统,以满足光遗传学领域中大规模神经动力学研究需求。在该系统中,设计了一款1转7扇出多模光纤束,将光纤束与扫描振镜相结合,并利用时分复用技术调制不同波长的光源,以实现高质量的多通道记录和通道可选择的光刺激。评估了多光纤通道的参数稳定性,在小鼠前额叶、杏仁核、腹侧被盖等脑区同步记录了4个通道的钙信号。通过振镜靶向特定的光纤通道,可对自由移动的小鼠进行光遗传干预。该系统可用于活体多脑区光遗传干预与记录,为神经环路研究和行为学实验提供了有力工具。

精准光遗传学的关键技术及进展

光遗传学采用光学手段对大脑神经活动进行调控,为神经科学研究提供重要技术手段,促进了当代神经科学里程碑式的发展。由于光在生物组织中的非侵入穿透深度极其有限,传统光遗传学一般采用损伤性植入光纤的方式,导致光刺激的空间精度无法保证。近年来,随着光学技术的进步,精准光遗传学逐渐兴起。精准光遗传学一般采用具备深穿透能力、高时空分辨率的光学系统,具有单细胞精度的神经调控能力和亚细胞精度的神经元集群活动实时检测能力。从技术原理、光路构建和系统优化等几个方面对精准光遗传学研究进行分析和讨论,最后讨论精准光遗传学研究中的技术局限和可能的解决方案,并展望精准光遗传学技术的未来发展方向和应用场景。

星形胶质细胞参与阿尔茨海默病早期突触功能损伤的研究进展

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是以β淀粉样蛋白(amyloidβ,Aβ)沉积和神经纤维缠结(neurofibrillary tangles,NFTs)等病理特征及记忆衰退等临床特征为标志的一种神经退行性疾病。AD的主要症状认知障碍与突触减少密切相关。可溶性寡聚Aβ引起的突触功能损伤是AD早期病理机制研究的热点。星形胶质细胞对突触功能调控起重要作用,其功能改变与AD病理表现密切相关。星形胶质细胞可以通过参与Aβ代谢、中枢炎性反应、突触调控和胞内钙信号传递等途径参与AD早期的突触功能损伤。该文对近年来星形胶质细胞在AD早期突触功能损伤中的主要作用及机制进行综述,同时对这一领域的开放问题进行了归纳。

基于二值化传输矩阵透过散射介质的光聚焦

提出一种光透过散射介质的散斑恢复算法,可实现大视场任意位置的聚焦。通过仿真模拟光路测量散射介质的传输矩阵并进行二值化处理,再利用数字微镜器件对入射光进行二值振幅调制,实现透过散射介质的单点或多点聚焦。由于不同聚焦位置的独立性,所提算法能够实现大视场任意位置聚焦。仿真结果表明:聚焦位置的光强增强因子随着采样数目的增加而增加;与传统三步相移法相比,在采样数目减少1/3的情况下,所提算法能够获得55%的增强比,比三步相移法高12%。所提算法对透过散射介质实现大视场范围扫描聚焦有重要意义,在生物医学成像领域具有广阔应用前景。

阿尔茨海默病生物标志物研究进展

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是一种常见的神经退行性疾病,以胞外淀粉样蛋白(amyloid-β, Aβ)沉积和胞内神经纤维缠结为主要病理特征。AD发病机理尚未完全探明,并且缺乏有效的早期临床诊断方法,AD患者往往在轻度认知障碍(mild cognitive impairment, MCI)和痴呆(dementia)阶段才会就医,错过治疗的最佳有效期。生物标志物可以帮助诊断特定疾病的有无及其病理进程,因此,研发AD生物标志物对筛查早期AD患者和及时干预治疗MCI患者具有重要的临床意义。与现有AD可能的致病假说相似,AD生物标志物的研究主要集中在Aβ、微管相关蛋白(tau protein, Tau)和炎症相关因子等方面。该文对近年来AD生物标志物的类别、应用依据及优缺点等方面展开综述。

BDNF及其下游通路与GABA能神经元发育相关性的研究进展

脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)是一种具有神经营养作用的蛋白质,广泛分布于中枢神经系统内。BDNF及其下游信号通路在γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)能神经元存活、生长、分化、发育等方面均发挥重要的作用。GABA能神经元可以通过释放抑制性神经递质GABA调节神经元活性,进而维持神经环路的正常功能。多种疾病的发生发展都与GABA能神经元发育的异常密切相关。该文将就BDNF及其下游通路与GABA能神经元发育的相关性进行综述,希望为疾病的治疗提供新的方向。

神经元及神经环路活性异常与阿尔茨海默病研究进展

细胞外淀粉样蛋白(Aβ)沉积和细胞内神经纤维缠结是阿尔茨海默病的典型病理特征。淀粉样蛋白和tau蛋白(神经纤维缠结的主要组成成分)在脑中的异常聚集会导致神经元活性异常,进而引起神经环路结构及功能紊乱,最终造成阿尔茨海默病患者认知功能障碍。概述了Aβ及tau蛋白的生成及调控,阐述了Aβ及tau蛋白异常聚集在神经元及神经环路活动中的作用和机制,综述了ApoE、炎症反应及成体神经发生异常在AD神经元及神经环路活动障碍中的作用。

情绪性摄食行为的神经环路调控机制

摄食行为是机体维持个体生存和从事各种生命活动的保障,它的调控十分复杂,涉及到机体多个系统的协调参与,其中中枢神经系统在摄食调控中起着关键性的作用。中枢神经系统不仅在因饥饿而摄食以维持能量稳态的过程中起关键作用,还调控包括享乐进食在内的情绪性摄食行为。本文综述了中枢神经系统控制摄食行为的进展,主要关注情绪性进食的中枢调控机制,尤其是总结了中枢摄食、奖赏系统藉由各种投射路径和信号分子整合机体的营养、压力、情绪等信息进行摄食调控从而维持机体稳态的全过程。