[科普中国]-神经光子学

神经光子学，英文名为Neurophotonics。神经光子学属于生物医学光子学范畴之内，特指用光和其它以光子为量子单位的辐射能来解决神经科学问题的新兴交叉科学。神经光子学包含用于脑结构和功能成像及操纵的新颖光学技术，覆盖从细胞器、蛋白质组装的成像可视化到人类脑皮层活动的无损探测研究。新技术和应用迅猛发展，推动着对神经现象理解的巨大进展，包括正常及疾病状态下的电兴奋性、神经胶质的伙伴关系、神经血管信号传导、代谢活动和血流动力学。

科学研究2014年2月神经光子学专题会议首次登陆美国西部光子学会议，E. Duco Jansen和骆清铭教授共同担任会议主席。2015年7月同名Neurophotonics杂志首次出版发行，主编为David Boas教授。2013年，美国总统奥巴马启动“推进创新神经技术脑研究计划”（BRAIN Initiative），旨在通过大规模的协同努力去资助研究者以获得基础性新知，为攻克诸多脑疾病的目标服务。BRAIN计划以来，各种脑研究（也即神经科学）在世界范围内蓬勃发展，很大程度上得益于光学技术。

脑研究按照不同尺度可以分成三个层次：宏观尺度（Macroscale）、介观尺度（Mesoscale）、微观尺度（Microscale）。宏观尺度主要包含不同脑区连接的研究，通常使用磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)；介观尺度主要包含单个或一群神经细胞及其投射的研究，通常使用光学显微镜成像；而微观尺度主要包含突触连接层次的研究，一般需要借助电子显微镜（electron microscope，EM）成像。近二十年脑科学研究发展迅猛，一方面已在分子、基因等微观水平，对神经元基因表达特异性、蛋白质功能以及突触传递等方面取得长足进步，对不同类型神经元的细胞工作机理有了深入认识。另一方面，得益于磁共振成像、正电子发射层析成像（positron emission tomography，PET）、脑电记录等先进技术的应用，对宏观水平的脑功能，如大脑皮层各脑区（如运动、感觉皮层等）的功能有较深入的理解；对多种神经性疾病的脑结构和功能有较全面的表征。然而，对于联系微观突触信息传递和宏观脑功能之间的介观层次的神经环路信息，还知之甚少。前期研究已知，脑功能不是由单个神经元或单一脑区独立产生，而是依赖于神经环路内的神经元集合、皮层功能柱或者局部脑区交互作用的结构，所以脑研究需要兼顾不同层次水平。虽然脑科学已在宏观尺度和微观尺度都取得了巨大的进步；但对于在宏观和微观之间的鸿沟，即介观尺度的认知几乎是空白，而那里可能正是大脑奥秘所在。目前，人们只对仅有302 个神经元的线虫(C. elegans) 的神经环路进行了较完整的研究，而对于拥有约10万个神经元的模式动物果蝇(Drosophila)脑的相关研究还只是刚刚起步。相比之下，研究高等哺乳动物拥有数以百亿计神经元的复杂神经环路，对传统技术而言是极大的挑战。

传统技术无法解决突起水平分辨和全脑范围探测这一矛盾。在宏观水平，磁共振成像被视为脑成像的“金标准”，但对组织样本只能实现数十微米的分辨能力，磁场强度、梯度场强度、成像时间、线圈灵敏度等都是制约分辨率的客观因素。目前，已有一些研究者开始用扩散磁共振成像（diffusion magnetic resonance imaging, dMRI）探索脑的细胞构筑和白质纤维束。dMRI能够测量脑组织中水分子的扩散运动信号，并以此推算关于细胞完整性和组织微观结构改变的相关信息，进而间接地反映出脑白质纤维束的物理和功能特性。dMRI为全脑神经纤维结构研究提供了独特的非侵入性活体检测手段，已成为脑成像研究领域中常用的方法之一，但仍然受限于分辨率。在微观水平，电子显微镜是显示脑组织精细结构的有力工具，其分辨率可达到1 nm。但是，电子显微镜难以进行全脑的探测，据估算，仅成像1 mm3 的样本就需1 万人年工作量。光学显微镜(optical microscope)的分辨率介于MRI 和EM 之间，几乎可以观察到所有的神经元突起，而且适用于光学成像的神经标记技术非常丰富，对研究完整大脑的构筑和连接而言，光学显微成像技术更具有可行性和普适性。但是，传统的宽场光学显微镜不具备三维层析能力，又因组织对光存在着吸收和散射的影响，成像深度受到限制。为了解决高分辨率与大探测范围难以兼得的问题，近年来，开发了一系列新颖的光学成像技术且已被应用到脑研究中，诸如：光片照明显微成像、双光子序列断层成像和显微光学切片断层成像等等。这些成像技术分别结合一定的组织样品透明、或是机械切削，可以实现诸如小鼠全脑等样品的光学分辨率成像及三维可视化。骆清铭教授课题组发明了显微光学切片断层成像技术；成功获取了荧光标记、Golgi、Nissl和印度墨水染色的小鼠全脑数据集，三维分辨率达到1 µm；开发了适应于海量数据集的自动分析技术，展示了对小鼠全脑进行高分辨成像和可视化的能力（图1）。

图****1 采用显微光学切片断层成像技术获得的小鼠全脑及神经元形态、神经环路、细胞构筑和血管结构的可视化结果。

前景预测神经光子学作为光学和神经科学的接口，包括各种研究脑（神经）的光学技术，诸如：显微镜技术、超分辨纳米显微镜技术、光遗传学及其它操控细胞行为的光学方法、合成或是基因编码的光学报告子和刺激子、光透明技术、覆盖光学到超声分辨率的光声成像等。同时，这些光学技术对神经科学基础研究和临床应用产生重大影响；提供了一系列面向神经科学问题的方法，诸如研究神经胶质和血管生理的方法、研究神经细胞能量代谢的方法、适用于脑功能和生理的无损测量及成像技术等。特别地，神经光子学技术以其无损、非接触、便携、廉价等优点，将可以更好地向临床转化和应用。

扩展阅读BRAIN 2025: A Scientific Vision. National Institutes of Health (2014).

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Chiang A S, Lin C Y, Chuang C C, et al. 2011. Three-dimensional reconstruction of brain-wide wiring networks in Drosophila at single-cell resolution. Curr Biol, 21(1): 1-11

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本词条内容贡献者为:

陈尚宾 - 副教授 - 华中科技大学武汉光电国家实验室龚辉 - 教授 - 华中科技大学武汉光电国家实验室