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科技部新聞稿 「看見」果蠅的思想- 以光學顯微鏡成像技術探究大腦的奧秘

日期:109年3月11日

發稿單位:生命科學研究發展司

聯絡人:李慧欣博士

電話:02-2737-7461

E-mail:hhlee@most.gov.tw

 

      大腦是由成千上萬個神經細胞集合而成,是動物體中最重要的器官,但這些神經細胞是如何藉由彼此間的連結與交互作用,產生思考決策等高階功能,科學家絞盡腦汁還是沒有找到答案。

      在科技部「以疾病為導向之腦與心智科學專案研究計畫」(106-108)及「台灣腦科技發展及國際躍升計畫」(108-110)的支持下,臺大物理系朱士維教授成立跨領域團隊,結合清大電機系李夢麟教授與楊尚達教授、清大工程與系統科學系吳順吉副教授、交大光電學院詹明哲副教授,以及捷絡生物科技股份有限公司林彥穎執行長,共同研發「新穎光學顯微鏡成像技術平台」。具有高速、高空間解析度,能觀察到果蠅腦中單一神經細胞的電生理動態行為。藉由研究與人腦神經網路運作機制類似的果蠅,以探究人腦的奧秘。相關創新成果包括:

 

  1. 1. 發展出世界上第一個可在果蠅活體全腦中以毫秒解析度觀察三度空間神經動態行為的「高速體積成像系統」(High-speed volumetric imaging system),相關成果於去年發表在光學重要期刊Optics Letters 44, 3190-3193 (2019),並獲選為必讀文章(參考資料1);
  2. 2. 透過上述「高速體積成像系統」,並擴充自製光學神經激發系統,做到「全光學生理」觀察 (all-optical physiology),成功解析果蠅腦中的視覺神經迴路上下游的神經連結與編碼模式,以瞭解腦神經的運作,相關成果於去年發表在iScience 22, 133-146 (2019)(參考資料2);
  3. 3. 發展「深組織超解析光學技術」(COOL, Confocal lOcalization deep-imaging with Optical cLearing),結合螢光蛋白標定、共軛焦掃描顯微鏡、光學組織澄清技術以及定位顯微技術等先進科技,以非侵入方式、20奈米空間解析度分辨出果蠅全腦中相鄰或彼此纏繞糾結之神經纖維分佈,找出其連結點所在,藉以判斷神經連結路徑,相關成果於去年發表在iScience 14, 164-170 (2019)(參考資料3)。朱教授更因相關研究貢獻,受光學領域頂尖期刊Light: Science and Applications (IF > 14) 邀請撰寫介紹文章,提升臺灣學術能見度(參考資料4)。
  4. (附圖:透過朱教授團隊研發的「深組織超解析光學技術」,將兩條緊密交纏的神經纖維清楚分離開來。右下插圖為相同神經與染色,傳統共軛焦影像無法分辨神經纖維的細緻結構。)

    4. 朱教授團隊亦發現,現有可穿透鼠腦組織的1釐米的「雙光子影像系統」無法在果蠅腦中成像的主因,可能是其氣管結構所造成的像差,朱教授團隊更是世界上第一個完成此像差的組織光學衰減定量,並證明使用「長波長三光子螢光」即可改善影像,有機會進行果蠅活體全腦觀察,相關成果於去年發表在Biomedical Optics Express 10, 1627-1637 (2019)(參考資料5)。

 

目前整個研究團隊在科技部「台灣腦科技發展及國際躍升計畫」(108-110)的支持下,持續發展最新的光學技術,並與科技部支持、由清大系統神經科學研究所江安世院士帶領的「腦科學研究特色中心」(107-112) 緊密合作,期待未來實現「功能性全腦連結體(connectome)」觀察。亦即能夠以具備高時間解析度(毫秒)、高空間解析度(次微米到奈米)、以及高穿透深度(釐米)的高規格影像技術,觀察果蠅活體全腦中每一個神經細胞在學習與記憶時的動態連結,以解開大腦運作的奧秘。

 

參考資料:

1. K.-J. Hsu, Y.-Y. Lin, Y.-Y. Lin, K. Su, K.-L. Feng, S.-C. Wu, Y.-C. Lin, A.-S. Chiang, S.-W. Chu*, “Millisecond two-photon optical ribbon imaging for small-animal functional connectome study” Opt. Lett. 44, 3190-3193 (2019). Editor’s pick https://doi.org/10.1364/OL.44.003190

  1. 2. C. Huang, C.-Y. Tai, K.-P. Yang, W.-K. Chang, K.-J. Hsu, C.-C. Hsiao, S.-C. Wu, Y.-Y. Lin*, A.-S. Chiang*, and S.-W. Chu*, “All-optical volumetric physiology for connectomics in dense neuronal structures” iScience 22, 133-146 (2019) https://doi.org/10.1016/j.isci.2019.11.011

  2. 3. H.-Y. Lin, L.-A. Chu, H. Yang, K.-J. Hsu, Y.-Y. Lin, K.-H. Lin, S.-W. Chu*, iScience 14, 164-170 (2019). https://doi.org/10.1016/j.isci.2019.03.025

  3. 4. S.-W. Chu “Optical microscopy approaches angstrom precision, in 3D!”, Light Sci. Appl. 8, 117 (2019) Invited News and Views article

  4. https://doi.org/10.1038/s41377-019-0226-y

  5. 5. K.-J. Hsu, Y.-Y. Lin, A.-S. Chiang, S.-W. Chu*, “Optical properties of 1627-1637 (2019). https://doi.org/10.1364/BOE.10.001627

 

研究成果聯絡人

朱士維教授

國立臺灣大學物理學系

聯絡電話(公):02-33665131

電子郵件信箱:swchu@ntu.edu.tw

更新日期 : 2020/03/13