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1、光学功能成像及其生物医学应用1骆清铭曾绍群李鹏程周炜龚辉张智红粥巾科技犬磐BfittCh翘ce生物医学_兜予譬研究中心，湖北武汉430074武汉毙电圈家霭骏盔(辫)生物医学巍予誉姘究部，湖j匕斌汉430074美键诵t生物瓣攀光予学t神黪涵渤t蟪织功能；兆学分子成慷l引言光学功能成橡谯生命科学的前沿研究中具商非淞蘑裂的成雕鹬缀。悲认知神经科学和生物医学诊断巾，磷究相关纂嘲及储使分子谯活体巾的送行娥棘是从奉厩上了解认知的分予机制、湖明痰癃致痫机琏与牮期诊断方法的撤本途径。霞如晒黜杂志浮述人蹙藏因组计划时所说基闲豹功能极为强宄，但最终黼蟹r解他们翔何簌人体中发挥捧用。程这研究申光攀功能戚德疵发撵越来
2、越灌墼的俸用。缁前，认知辫攀主缮从神经元(分子与细艟墩警)、神经觉网络、特定脑旋鼷功能构筑、系统与行为落水闷屡次开展研究。光学成墩技术的发展，为认知涌动麟机制研究提供下新的蘧鬻研究孕毅。光学成像技沭可校不网层次研究神经系统的结构和信号，从黼的角艘，为解释认如功能据供重婺蜜验依据。融乎光学成像技术具霄实畦、滗损、多参数和抗干扰能力较强蒋特点，有鬻猩神经系绕佾息处理机制研究巾发擢震臻作用。另一靠筒，人类綦阏缀计划及释蹙“缀”计划的展升，馊褥分予水警的储息急剁增加。艇怒这魑分予水擎的信息姻何影响人类燕大黢确的警期诊峨晦治疗，则还衙鬻缀多的工作。巍播体观测分子的功能进褥蜜现蓬犬疾痫的帑期诊断。弓治疗刚
3、是其中个壤螫的挑战。肇中科技大攀ittonchance生物医学光予学磷究巾0缀过lO佘年的艰薄努力，宽分发撵现代光予掌技术的优势，在麟功能与神经活动纂本过稷的光譬成像(包括神经冗殿神经瓮网络、特定黼皮胺劝能构筑和系统与稃为藩)、活体分子功能成像等多个方嘲，进行“r襟索，取褥了翩步的研究陡聚。下面我们从遮磺个方面繁娶介缁相关研究进展。2脑功能与神经活动基本过程的光学成像21神经元与神经无网络结构与功熊活动的光学成像巍麴缀瓮活动研究中，传统方法盘爱聚用电予擘技术，如膜蜀镪技术窳瑰垒绒胞殷举离孑通道的糖确记录，但对细胞霄獭伤，难以长时间观黎。1990弧bb等人发明了多光予激艇激光翔描撼徽镜(简称多光
4、予显微镳)，它舆肖超离灵敏瞧和鬣，l、光懑性损伤等优势。彰光予显微镜能在筵麓细的屡次珊究神经冗的功能。除窳现长时间习侵入般测外，还能够通避寰时成像观察5HT簿种缀递质的分泌过程。蜀外，澎光予激发使原来二维(xy方向)的磷究，全部珂扩展到三维(x，弭z方向)，可用子磷究神经元内的兰三维物质流动岛信患抟输。多光予光解笼锁掰调节线粒体内钙离予浓度。这些独特的优势使多光子技术成为在分子相细胞水平毳阡究唪l经储号转镣机制竣蓬螫的手段，使人们对树突的汁算硬其往神经信号处理巾的作用肖r更好的瑷解。因ii锤神经死活动的光学成缘研究意义獯火。翻瀚主要的矛盾是多光予的黝搦成像速率罐诅满足记泶快逋神经活动的褥嚣。为
5、她希鬻爨羽璐机翔搦1嘲澈杰如静铋秘攀糕盒(的025514，。嘲象簿外杰粥街簪鞴擘蕊盘(30328014)。鬟犬蕊勘研究前期研究专壤(200lCC怠04loo)(1cand湘oc&嫩ing)方式(如圈1r所永)寓接获取感擞趣区域的神经活动络譬。曛j1：神经元在视辩巾艇稀疏分布的，巍接：曩描感必趣的送域，冀优点是能提黼记蒙速发辫燹满调节谯每个隧域的驻图时阀以提黼佾噤比。鞘镪熬予机械叛键的随机手1摘速率约为lm：s象漾，还是举艉满遥快速剜激与成像的霈婺。漾用声兆器件的随机翱捕研达10裂索鬣歪篼快，却因为严藁的色敝迸鼷(如网2所示)泰能成册。Tsien等人德程95年版的Handb舯kofBiologi
6、calconfocal搬croscopy掩声光：维翻描毪秒擞光歹为非鬻瞒难的棚题。我们通过研究飞秒激毙邂过角色敞器件的传输特性、究熬描述了离烯脉冲缝霸色徽聪的演化娥襻。程潍入研究芦光器件内强色散特性蒺础上，我们突破常规提出了同时补偿的愆路藩用承个棱镜襄现_同l：重补偿时阅与空阐包散的飞秒激光二维声兆襁镝方滋(嗣3)。将这一方法艘用于多光子驻微贼像，帑先建立了=维快速随机扫搦多兜予盟微成像授零，随机扫描邈搴出现有的lmg馨索，提礴至小予lo岫激素(7妇象豢)(圈4)。不仅矮肖快速的优点，俐n空闼分辨攀达羽般商鼹多光予艇擞镜豹Y水甲。我们详细阐述了阋时补偿的原理以及将：维洚光翻撼臌朋予多光予飘微成
7、像的设计原刚+辩进行”系统熊构优化，建巍”r燕予“飞秒激光随机丰习描多光予显微成缘”较宠攘的蠖论与蠢法。麓外还利糯同时补偿的思想，建赢了用于飞秒激光豹快速光强控制器与可调谐滤波器，将诩”神缝成像巾快速掇制光强与神经元的满幼。圈，顺序扫描(左)与黼鞔扫描(者)圈2飞秒激光：维声光扫描的时闻色散与空间色散圈3同时补偿时间与空闻色散的飞秒激先声毙扫描方法(=维)2圈4飞秒激光=维快速随机扫描多光予盎撇戚像系统与她同时，我们将菠等。色激及其枣偿糕础理论的磷究成果廉用双光予成缀。自秸建立了多光子鼹微成像系统。通过调谐双光予盟徽镜对活组织成像的娩缴特牲及改进绦构提高效率。提蕊丁双光予鼠微键的储嗡比鞠测麓深
8、度，锼其埘活体动物脑组织(如嚷球等)的涮爨深腹歪500岫以上(姨发表的论文看，国际上仅商总个嶷骏蜜报邀避类似水5F)，从而能够廒搂观测些以前米能蓿到的熏鼗神经细胞的活动。与那鲁犬学神经生物学鬟会作，应用国行建立的双毙予成德技术，成劝建赢和演示了淆体神经圆路功能成像新方注，观察副了新的神经功能活动；避期逛与中慝科学院。E海神经科学研究所禽作发现r。荤巾新的神经胶质细胞结构，如图5炳示。此外，我们坯研究了脯源性神始生长因予(肋潍)对皮躲神经元突觖传递和钙储号的急性调节体用，发现程多光予激发对绿色荧光擞髓进静就微戚像时，会育黼阶巍澡臼效应发生。圈5飞秒激光多光予噩微成僚发现新的神经绷胞22特定脑皮展
9、功麓构筑的光学成像理解特定腩皮层区的神缝储息处理；L制，一方面，瓣受发展离时空分辨率的功能成像方法与技术，鲋嬲皮艨功能构筑殷葜动态变化过程进糖研究，r解大脑皮壤响瓣外界剿澈畦的辅绷激满攘式；舄一方嘲，褥簧深入研究神经活动弓l超的j衄澈动力学响麻过摆，了嬲神缝觑瓣购耦食与调节机制，从艇能够涕入理解避代神经功能成像技术中吾种测爨储母的生理意义。瓣：r、纛述孺求，离分辨豹巍体光学功能成像方法，如内激光储号溅像和激光背雯斑成像豇三在发挥越米越燕蟹的作用。我们在近年来也针聪疑。秘的方法学问题及一转漾缨的生物医学斑用歼震n一系剥研究工作+主墼涉殿以F方面：221基于激光散斑的离分辨脑觑流检涮方法研究主婺致
10、力于发展纂予激光敞斑现敷的生物组织恤流羚稚捡测方法与技沭，提离成像的时iifil、空悯分辨帛殷测燕深度，并籀展奠生物医学成用模式。掰前在利用徽斑时域统计特性分析提高其溅像空闯分辨率、撺制表两静悉维织结构千抗婶方诼取褥了较姆的进展，并将散斑成像方法用于酣究肠系膜及脑腹膜斑流的3检测，研究药物、光增透测、以及神经活动错误I未定义书签。等对组织舷流潦涟的影响。2。22瞒皮层聒劝多参数高分辨光学成像方法研究结合光谱成像矗激光徽斑成像技术，建立了能同时对脑皮毽硒部魍餐盘、血飘、斑流、艇代谢率和盘管形森进行多参数、猩体离分辨成像的方弦与寓验系统。_糌蜜现了其与抻缀电蠼穗镑号的同步捡渊。扦簇了脑皮屡活动光学
11、成像的信号处理方法骈窥，刹用独立成分分析(IcA)、时蒯聚撄分折(1cA)、尘成分分毫匠(P吼)游统计储号处理方法抑制程体离分辨光学藏像熨骏过程巾呼吸、心跳以及i甄瓣生艘性运动等生物噪声，从嗡声中提取捌激栩荧的神经活动信号。223在体i断分辨光学成像在脑疾病病理研究中的应用脑皮鼷扩激性釉制过程尚偏灸臻、脑缺斑、脑擞伤袋辅磐密切相关，因此我们利绷内灏光信号成像方法针对皮鏖扩敞翔制本身，投其与脑缺血的关系拜艘研究=I=作。程犬鼠鼢灶性脑缺搬模型上，采用内源绱号光学成像方法观察别一氟列国发皮滕扩缴毂抑制波，谖翔发魔层扩散住抑制光储号表壤出三种明盥的空间区域整黔；光搬稳定、汽强升离、光强降低，分别对腧
12、”|二缺傲皮屡的不润，肄质成分：梗死隧域、半罐辩和菠常嬲镶织。此外，为撵讨伤害性传入倦息在躯体感受皮艨的传辱和调制机制，我们运羽蕊时空分辨率的内濒光储蟹成像方法观察了伤害性岛非伤密性传入僻息程躯体戆受皮屡隧域的时空响威梭式以敷痛擞干预乎段(知镇痛爽药物)讨这种皮胺嗡戚的影响。2+3系统与行为层次的赫功熊光学成慷大黻躺能的成像梭测在认潮神经科学颡域髌商檄其壅纂的意义。对缎织光擘的锵究诞寓，太麟的劝能活动W岛l起入射予麟皮屡的光的特性改变，这一躐簸为糕功能活动豹实时监测提供了依攥与可能：辩有趣搦示认知过程的生理学机理，蜜现认知科攀的燕丈裳破。辍是一切嫩命添动的基勰。对于人躺缀织也是一样，大脑滔赫伴
13、随潜复杂的溉代谢避稷。瓣脑缀绂中衄液溶辍的襄时瓶测，可以实现对躺活动动隧的窥测，从丽获褥大脑活动的真蜜储息。研究袤明，黼激活期间，摊经活动的兴铸性水平增强，周部麟组缎瓶流、敷容积以艘组飘溺耗摄均增翻，魍增加的院懈不闷，脑斑流簸增加超|嫩瓤流释积24倍，丽链裁盛仪轻微增加，赢流蠡增加越渤”r飘耗髓的增加。这种麓界导致躺激活功能区的静脉舷辍浓度升黼，脱飙缸级蛋囱栩对减少。利丽避红外光游术可实现对浅表缀蚁c弘备主霹饿网如禽瓴血红夤臼f渤0，)、去飘撒红蛋白(晒)、细胞色素辘化醣(cyt0】c)捆对浓度变化及媳液浓发等参数的凌时茏损伤谯体测擞，通过一定的图像饿蜒燕建隧进一步得到腻活幼的近红外光学圈像。
14、近筑外光学成像(f】；IRI)是20觥纪90年代孝嫩现的新激脑磅能成像投爿乏。嚣IRI聚翊近筑外光潜方法记录犬腑乖网位谶处婀斑瓴与血箨爨移数变化从渐获褥貔璇能闭燎。fNIRI系漉的优点怒炭滔，舄剐，低成本，臻时期j#侵入饿。尽管程空闻分辨攀誉绷f搬I和PET镰，倪其特点魁能谯认细灞动的囱然惰缀下进抒鬟畦功能貔德，辩研与f侃I、飑T、EEG等其它麟功能磁究零段飘不予扰熄问时进行测最，另蚪遥勃乎对大蹙被试进杼反复炎骏。烈IRI已成为90筇代阉际神经生物学界鞭热门的研究课题之一。骆清铭和chance铸猩国际上率先成功毳f制nr一种基予近筑外光谱术的腑功能光学成像嚣，并在正常人脑皮滋运渤区获褥了与f斌
15、I戮的实骚缡聚。豳断敬威攀术刊物j柏c乎釉纾鼢出抽始盯甜“酗ce瓣商荚成壤通行Hr评论鞠报道。相关研究主缨涉及；(1)入麟组缓中汽予传输槐簿的Montec壮lo模拟磁窥；逡用藏特卡罗(繇ontecarlo)方法。开展人腑组织中光孑传输规律的研究。以“数字中翻入”的实际大脑解剖数罐为蕊础，分别构建渤水冈成豫模式下，光予在人脑组缳巾传鞭的三维分瓣承意图。谈模拟研究将对NIlcS蒸绕戚像参数(光强、光源一一探测器间躐、蹴间分辨、探测器偏鬻游)的优化提供獯嚣依据。(2)用乎瓣颧叶皮屡功隧检测的近虹外光学成像累统研制：我们研制。：快速釉便携式避魅外赫动能成像系统(俄IRI)。通过溯攘血辊参数的变化，能实
16、酣魂察丈范豳麟皮屡的灞动，实现了对大麟功能豹成像检测。根据模型和颈I临腠鬟验结聚，对成豫器结构、光学撵熬、成像算滋软件耱进行了逸舞和优化。系统4探蹶柔软性强，与待测部位露邂好贴附性，可搛测面积为44cm15cm的前额时区域。实际戚翔巾。藏像器对称地置予被试餍骨以崴、魏颧中线左右鹾侧，这样，成艨器所检测的耱隧范围为前部髓颧区(AnteriorPFc)。背外铡翦颡区(班肌)及唆静傩前襁(v己P瓮)的部分区域。系统实现的杰螫功隧包括获取兰种波长的光强燮化数螭，计辣捧融示胁m、髓和总衄红溪自(聃T)的捆对浓度变化缀。离体血液模型蜜验缭聚淡明该黎统西以较内准确地测蘩组燃中渤融、硒和Hbr棚错浓废的变化。躅visualc+6。o平静歼笈淝餐戟件，蹑绕的l；I重闻分辨率穗邋过较件进搿设谶。(3)前额叶皮滕工佟避忆像用的近级外光学功能成像研究：利用NIIcs系统对被试在执行熬予顾掰孵淡范式的嵩谢和空阃工作记忆任务情况“FPFc激潘状况进行了；I!篾测，考察了PFe激
