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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Bfitt∞Ch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 2．1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5—HT簿种缀递质的分泌过程。蜀外，澎 光予激发使原来二维(x’y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。为她希鬻爨羽璐机翔搦 (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 of 等人德程95年版的Handb舯kBiological 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