计算光学相位成像:从干涉数字全息到光强衍射层析

<正>自400多年前问世以来,光学显微技术经历了不断地革新,已从Leeuwenhoek时代简单的单透镜装置发展成为一种极为重要且精密的观察与计量科学仪器,广泛地应用于生物医学、工业生产、材料化工与科学研究等领域.2014年,诺贝尔化学奖授予了超分辨率荧光显微技术^[1].该技术突破了光学显微镜衍射极限的限制,将荧光显微成像的分辨率带入纳米时代,极大地推动了生命科学和基础医学的发展.除分辨率外,光学显微镜面临的另一大挑战是对比度传统显微镜受强度(振幅)探测机理所限,对无色透明物体(如细胞)的成像依赖染色标记.而在研究活细胞的生理活动及其长时程动态过程时,无标记显微是一种最为理想的探测手段1932年,Zernike发明了相差显微镜:通过空间滤波原理极大地提高了透明物体在镜下的可分辨性,Zernike也因此获得1953年的诺贝尔物理学奖^[2].但时至今日,该技术仍局限于二维定性观测,无法实现三维定量测量,发展较荧光显微技术明显滞后.     

低维纳米材料的近场光学表征

光学显微术作为一种快速、无损的表征手段在材料研究领域得到了广泛应用,但是受光的波动性制约,传统远场光学显微术无法满足低维纳米材料表征对亚衍射极限空间分辨率的需求.近年来,随着散射式扫描近场光学显微术(s-SNOM)的发展进步,光学成像的空间分辨率已经达到10nm量级,突破了光学衍射极限.本文首先简要阐述了s-SNOM的成像原理,然后按照s-SNOM的工作模式分类介绍了其在低维纳米材料表征领域的应用研究进展,最后对s-SNOM技术未来的发展及应用进行展望.     

学习和记忆的突触模型:长时程突触可塑性

人类大脑是由上千亿神经元相互连接而组成一个高度复杂的神经网络,是认知、学习和意识等高级功能的重要基础。神经元之间通过特化的连接结构--“突触”而相互通讯。外界输入触发的神经元活动可特异性地持续改变突触的结构和功能,这种神经活动依赖的突触变化称之为长时程突触可塑性。大量实验证据表明突触可塑性是大脑学习和记忆的分子细胞学机制,了解突触可塑性的机制对阐明中枢神经系统性相关疾病（如老年痴呆症、药物成瘾等）的机理具有重要意义。本文简要地小结了长时程突触可塑性研究中的基本发现和新近进展。     

侵入式脑神经信号监测与调控技术研究进展

脑科学研究是当今自然科学面临的一项重要挑战.大脑是人体的神经枢纽,控制着人体的各项生理活动.脑神经信号监测与调控技术能够建立大脑与外部设备之间的信息连接通路,从而实现对大脑中信息的读取以及对脑活动的控制,因此在疾病诊疗、军事、教育、娱乐等领域具有广阔的发展和应用前景.尽管目前脑神经信号监测与调控技术已经取得一定成果,但对于侵入式脑信号监测与调控技术的研究仍处于起步阶段.本文简要介绍脑神经信号监测与调控技术的基本原理,从信号获取、调控手段和电极制备等关键技术角度阐述侵入式脑信号监测与调控技术的国内外研究现状,讨论其面临的信号质量、调控准确性和生物安全等方面的挑战.最后,展望该技术在脑机接口等前沿领域中的应用前景.     

飞秒激光测控神经活动

飞秒激光双光子显微成像技术在神经科学研究中发挥着重要作用. 实验中采用自行改进的双光子成像技术探测大鼠皮层脑片神经元钙活动, 记录到自发以及电刺激、药物刺激诱导的钙活动, 同时记录到飞秒激光诱发的神经钙活动. 结果表明, 神经元钙升高的幅度与其对应电活动强度呈线性关系; 谷氨酸能够诱导神经元产生大幅度的钙升高, 但当多次刺激时其钙响应的幅度降低; 通过同时记录多个神经元的自发钙信号, 可以分析判断这些细胞属于不同的微回路; 飞秒激光能诱导细胞的局部钙升高和整体钙升高. 飞秒激光神经活动测量和控制方法具有非接触、无损伤、可精确重复的优点, 为进一步认识神经生物现象提供了行之有效的实验手段.     

超级计算机复制人类大脑——记神经学家亨利·马克拉姆团队的人脑工程构想

马克拉姆团队意欲在2018年之前开发出具有意识和智慧的人造大脑●神经学家亨利·马克拉姆坚称,如果神经科学能按他设计的方向发展,他的"人脑计划"可以模拟人类大脑全部860亿个神经元,以及将这些神经元连接起来的100万亿个神经突触的功能,届时可建成一个"即插即用"的大脑:可以把它拆分找出脑部疾病的原因,也可以结合机器人技术开发一系列全新的人工智能技术,甚至还可以戴上一副虚拟现实眼镜以体验"另类大脑"的神奇。     

兴奋性突触活动通过内源大麻受体调节抑制性突触传递

<正>大脑功能的正常行使是建立在其神经环路电活动稳态基础上的.当环路电活动受到扰动时,神经环路其他组件,包括突触信息传递、神经元兴奋性和形态结构等也相应地发生改变,从而重建新稳态或恢复正常活动水平.这种环路活动自我调节机制称之     

光学超分辨荧光显微成像 ——2014年诺贝尔化学奖解析

超分辨成像显微镜的出现为现代生物医学研究提供了新的强有力的工具,将荧光显微镜的应用推到了新的高度。2014年诺贝尔化学奖授予了Eric Betzig、Stefan Hell以及William Moerner三位科学家,以表彰他们在“发展超高分辨荧光显微镜”上的贡献。他们的获奖肯定了化学生物物理多学科交叉对于当今前沿科技发展的重要性。本文主要介绍了超分辨荧光显微成像诞生的历史背景,以及各成像技术的发生发展过程,最后对此技术的未来发展做了展望。     

突触形成的最初阶段至突触成熟的电生理学研究

突触发育是神经生物学中的一个重要课题,对发育全过程的了解必定会对了解成熟突触可塑性有重要的启示.胚胎神经肌肉接点是研究这一课题的理想标本.我们曾研究了突触形成的最初阶段,发现突触后膜能诱导突触前膜自发释放神经递质.此工作后来由Haydon等人在神经元间突触标本上重复.我们还证明突触后细胞的高频电活动能促进突触发育,而低频电活动能逆转突触发育.前者逆向信使为一种神经生长因子,后者为一氧化氮.上述工作都强调了突触后膜在发育过程中的能动作用,而不只是被前膜支配的靶标,与前膜具有复杂的双向信息交流,相互识别,相互作用,从而逐步形成特异的突触结构.本文用单通道技术研究了突触形成的全过程,强调了突触后膜能诱导突触前神经元在与后膜接触部位堆积神经递质.     

X射线发光光学断层成像的研究进展

X射线发光光学断层成像(XLOT)是一种利用X射线照射生物体内的纳米发光材料进行成像的新型光学分子成像技术.对比现有光学分子成像技术,XLOT能够同时进行功能和结构成像,并且具有更高的成像深度和成像分辨率,具有广泛的应用前景.本文对XLOT成像技术的研究现状进行综述,回顾了不同XLOT系统的成像原理、系统组成以及各自的优缺点,概述了现有XLOT重建方法及其最新进展,总结了目前XLOT中常用的成像探针,在此基础上,介绍了XLOT技术在预临床诊断上的应用现状,最后对XLOT未来的研究方向进行了展望.     

基于飞秒掺钛蓝宝石激光器和光子晶体光纤的超高分辨光学相干CT

通过将飞秒激光脉冲耦合到空气石英微结构光纤, 获得了超高纵向分辨率的光学相干CT成像. 利用中心在540 nm、可见光谱范围450~700 nm的超连续光谱, 可以获得高达0.64 µm的自由空间纵向分辨率. 光学相干CT系统灵敏度在样品光功率3 mW时, 可达到108 dB, 仅仅低于理论极限7 dB. 同时展示了亚细胞分辨的光学相干CT的图像, 该高分辨光学相干CT在生物医学应用中有很好的前景.     

人脑形态网络及其在脑发育研究中的应用

人脑是一个极其复杂的系统,数以万亿的神经元通过突触构成了庞大的连接网络,如何系统而全面地刻画大脑内部的组织模式一直是神经科学家致力解决的热点问题.随着非侵入神经成像技术的兴起,基于磁共振成像的脑网络研究为揭示人脑的复杂结构提供了新的契机.其中,脑形态网络因其图像易获得、质量稳定和分析方法简单等优势引发了研究者的广泛关注.传统的脑形态网络是利用一组受试者的某种形态学指标构建的被试间协方差网络,只能反映大脑形态的群组特征.个体水平脑形态网络则针对个体大脑刻画脑区间的形态相似性,保留了个体的形态信息.多指标甚至多模态数据的应用,进一步整合多种互补的结构信息,能够综合表征皮层形态的拓扑连接模式.近年来,脑形态网络在探究人类大脑发育进程方面体现了重要价值.研究发现,胎儿时期形态网络从高度模块化的原始状态开始逐渐整合,至出生时已形成小世界拓扑,出生后至童年早期网络变得分离,童年晚期至青春期又逐渐整合,初级网络率先达到成熟而高级网络长期持续发育.这些结论为理解大脑认知功能的形成和发育障碍的起源提供了重要的理论支撑.本文介绍了两种脑形态网络的构建方法和图论模型的基本概念,回顾了脑形态网络在胎儿、婴儿、...     

金纳米棒:性能、制备、修饰、生物成像技术及应用

随着生物医学的发展,对生物成像技术和成像分辨率的要求越来越高,纳米材料和技术被越来越多地应用到生物医学领域.各向异性的金纳米棒由于具有较高的电子密度、较大的吸收截面、特殊的表面等离子共振光学特性、优良的生物相容性和化学稳定性而被广泛应用于生物成像领域.本文结合本课题组在该领域的研究经验,综述了金纳米棒的制备方法、光学性能和表面修饰方法;并从金纳米棒局部等离子共振特性出发,综述了金纳米棒的暗场散射成像、双光子荧光成像、光声断层成像、光学相干断层扫描、X射线计算机断层扫描、表面增强拉曼散射成像等生物成像技术.同时阐述了金纳米棒在生物成像、医学诊断和联合治疗等领域中的应用进展.     

实时功能磁共振成像及其应用

实时功能磁共振成像通过技术手段将数据分析所需的时间缩短到可与数据采集时间相比拟的程度,从而能在实验进程中将大脑皮层活动情况即刻反馈给受试者,构成一个闭合的神经反馈回路.近年来随着数据采集技术与图像重建算法的改进以及计算机运算能力的提高,实时功能磁共振成像技术日趋成熟并在诸多方面得到应用.凭借实时功能磁共振成像提供的神经反馈,受试者能够自主调节相关脑区的激活水平,与被调节脑区相关的认知过程或行为也会随之变化,这为认知神经科学提供了一种新的研究范式.实时功能磁共振成像还可以用作具备优良空间分辨率和全脑覆盖性的脑机接口,通过对大脑皮层激活模式的分析对脑状态进行判断和分类,从而实现仅依赖大脑活动的交互方式.另外,实时功能磁共振成像在临床上的潜在应用也得到了广泛关注,它为神经系统或精神类疾病的治疗与康复提供了新的途径,患者有望通过神经反馈调控异常的大脑激活状况从而缓解相应症状.本文旨在对实时功能磁共振成像的概念、关键技术及相关应用进行详细的介绍,并对其面临的问题和发展的前景进行讨论.     

超表面多维光场调控及基于机器学习的优化

作为一种亚波长二维人工微结构,超表面在更加集成化的平台上实现了新的光学现象及对光场灵活、多维的调控.与光场单维调控的超表面相比,能够实现光场多维调控的超表面在许多实际应用中都展现出明显的优势,例如光学全息成像、超分辨成像及矢量光生成等.然而,实现多维调控的超表面通常具有更复杂的设计,基于机器学习优化可以有效降低超表面的设计难度并实现更高精度的多维调控,因此受到广泛的关注.本文首先对实现多维调控的超表面进行了分类和总结,随后详细介绍了基于机器学习的新型光场调控方法.基于机器学习优化的超表面进一步增大了光场调控的自由度,有利于集成光学器件的发展.     

大规模类脑神经网络理论与方法

脑启发的脉冲神经网络被称为第三代人工神经网络,通过模拟神经动力学、事件驱动等计算特性捕捉时序信息和节能高效地进行计算,为人工智能领域的发展提供了新范式.大脑惊人的信息处理能力很大程度上归功于其庞大的网络规模和复杂的网络连接.构建大规模类脑神经网络为脑启发式的人工智能、神经形态计算以及多应用领域带来了突破性的进展.本文首先根据现有的研究,分类介绍了脉冲神经元模型、大规模脉冲神经网络模型与算法、深度训练框架和神经形态芯片等3个方面的计算原理和最新的研究进展,指出了目前大规模类脑神经网络研究的进展和存在的问题,随后重点论述了大规模类脑网络的神经形态视觉应用,包括神经形态视觉重构、极端场景目标检测等.最后,在总结已有研究成果的基础上,对该领域的研究现状给出了若干结论,同时指出了仍然存在的一些问题,并对未来研究的需求、期待与发展趋势进行了展望.     

利用超快扫描隧道显微镜研究原子尺度上的电荷动力学

正许多微观物理化学过程发生在皮秒和飞秒量级,传统的扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope, STM)能够以原子级分辨观察表面结构和电子态,但其时间分辨率不足以解析皮秒和飞秒尺度的超快动力学过程.超快STM结合了STM的空间分辨率和超快光学的时间分辨率,可以实现原子级分辨率的飞秒光谱学,并用于单原子、单分子、单电子和单自旋的非平衡动力学研究.本文首先介绍了超快STM技术的发展,以及我们在这个研究方向上的进展.随后,将超快STM技术应用于光催化材料金红石型TiO2(110)表面上单个极化子的非平衡动力学研究,揭示了     

地基光度曲线反演空间目标特征技术研究进展

空间目标的形状、尺寸、姿态、角速度、反射率和材质等特征对目标识别、轨道预测、碰撞规避等应用有重要意义.地基光学观测系统是目前空间目标观测主要手段之一,但受大气、距离及自身分辨率的影响,难以对中高轨或尺寸较小的空间目标进行高分辨成像,只能呈现几个像素亮度变化的光斑.空间目标的亮度与目标特征密切相关,利用地基光学观测系统获取的目标光度曲线,可以对目标特征进行反演.本文分析了近10年国际上地基光度曲线反演空间目标特征技术的研究进展,系统梳理了基于地基光度曲线特征和基于模型构建的空间目标特征反演技术,详细分析了各技术的用途和优缺点,提出了未来该领域的研究发展方向.     

Functional Magnetic Resonance Imaging's Research Progress in the Motion Control

近30年来,医学影像学技术飞速发展,特别是功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)等新技术的涌现,将神经机制的活体研究进一步深入化,也为运动控制研究提供了一条新的途径.fMRI以其高分辨成像技术适时反应脑神经活动时的功能变化,藉以了解在生命状态下大脑不同区域的主要功能和疾病时的功能改变.运动的中枢控制机制不仅在神经科学基础研究中,在神经病学临床实践中也有重要的意义.文章对功能磁共振的原理以及其在运动控制研究中的应用进行综述.     

植物重要膜蛋白的扩散与胞吞机制

膜蛋白作为细胞膜的重要组成部分,通常会发生胞吞循环以调控其在细胞膜上的数量平衡,或响应外界环境的刺激.单分子成像技术是近年来发展起来的,可用于在活细胞条件下对单个分子进行观测和研究的新技术,具有较高的时空分辨率,实现了在纳米和微秒水平上对单个分子的快速实时成像和精确分析.本文结合作者所在实验室取得的研究成果,介绍了利用单分子技术,包括全内反射荧光显微术、荧光相关光谱、荧光互相关光谱分析等方法,对植物几种重要膜蛋白在质膜上的运动特征以及胞吞途径的研究工作,总结了植物中脂筏微区分布及脂筏参与的胞吞途径对膜蛋白功能的调控机制,展望了植物质膜微区的精确划分以及膜蛋白胞吞之后的去向等方面所面临的难题.