上圖：兩克顯微系統(tǒng)機(jī)構(gòu)和原理圖
近日，斯坦福大學(xué)電子工程學(xué)教授Abbas El Gamal和應(yīng)用物理系Mark Schnitzer，近期合作推出了對(duì)于認(rèn)知大腦，進(jìn)行大腦深度成像具有重要幫助的兩克顯微系統(tǒng)(Two-gram microscopes)，這一顯微系統(tǒng)比較于之前的顯微系統(tǒng)，觀察視野，以及獲得的數(shù)量都提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，10月《Nature Methods》對(duì)兩位科學(xué)家做了特別介紹。
一般的光學(xué)顯微鏡只能觀察到組織的外層，傳統(tǒng)的顯微技術(shù)也無(wú)法觀察到大腦中超過(guò)700微米深度的部位。在這之前，Mark Schnitzer等人為了解決這個(gè)問(wèn)題，研發(fā)了一種新技術(shù)，能通過(guò)把微內(nèi)窺鏡(microendoscope)套在微小玻璃管中，再伸入被麻醉小鼠的大腦深部，從而研究人員能每周甚至每個(gè)月對(duì)大腦的同一位置重復(fù)觀察，并且這樣大腦也不用暴露于外界，阻斷了感染的危險(xiǎn)。研究人員利用這個(gè)方法觀察了神經(jīng)膠質(zhì)瘤小鼠模型，觀察到了神經(jīng)膠質(zhì)瘤在大腦深部的特征性生長(zhǎng)方式，與生長(zhǎng)在表面的腫瘤相同。
但是這種方法還達(dá)不到他們的要求，他們需要更新的技術(shù)。El Gamal說(shuō)，“我們想要設(shè)計(jì)一個(gè)整套系統(tǒng)”，終他們研發(fā)出了一種包含一個(gè)半導(dǎo)體成像感應(yīng)器，一個(gè)發(fā)光二極管(LED)，以及一個(gè)聚焦系統(tǒng)，一面鏡子，鏡頭和過(guò)濾器，以及9根操控電源和信息處理的導(dǎo)線的顯微系統(tǒng)，令人驚訝的是整個(gè)系統(tǒng)僅僅1.9克!而且這一顯微系統(tǒng)能觀察到小腦****中的血流(秒鐘級(jí)別)，以及同時(shí)捕獲超過(guò)200個(gè)個(gè)體神經(jīng)元中的鈣火花。
對(duì)于這項(xiàng)成功的合作，El Gamal認(rèn)為這與典型的設(shè)計(jì)新型芯片的工程項(xiàng)目完全不同，這項(xiàng)研究的關(guān)鍵點(diǎn)不是證明理論概念，而是用于實(shí)際情況的功能應(yīng)用。他表示：“收益不僅是這一系統(tǒng)本身，而且證明了其在生物學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用?！?/p>
原文摘要：
Miniaturized integration of a fluorescence microscope
Kunal K Ghosh, Laurie D Burns, eric D Cocker, Axel Nimmerjahn, Yaniv Ziv, Abbas El Gamal & Mark J Schnitzer
The light microscope is traditionally an instrument of substantial size and expense. Its miniaturized integration would enable many new applications based on mass-producible, tiny microscopes. Key prospective usages include brain imaging in behaving animals for relating cellular dynamics to animal behavior. Here we introduce a miniature (1.9 g) integrated fluorescence microscope made from mass-producible parts, including a semiconductor light source and sensor. This device enables high-speed cellular imaging across ~0.5 mm2 areas in active mice. This capability allowed concurrent tracking of Ca2+ spiking in >200 Purkinje neurons across nine cerebellar microzones. During mouse locomotion, individual microzones exhibited large-scale, synchronized Ca2+ spiking. This is a mesoscopic neural dynamic missed by prior techniques for studying the brain at other length scales. Overall, the integrated microscope is a potentially transformative technology that permits distribution to many animals and enables diverse usages, such as portable diagnostics or microscope arrays for large-scale screens.
