上圖：兩克顯微系統(tǒng)機構和原理圖
近日，斯坦福大學電子工程學教授Abbas El Gamal和應用物理系Mark Schnitzer，近期合作推出了對于認知大腦，進行大腦深度成像具有重要幫助的兩克顯微系統(tǒng)(Two-gram microscopes)，這一顯微系統(tǒng)比較于之前的顯微系統(tǒng)，觀察視野，以及獲得的數(shù)量都提高了幾個數(shù)量級，10月《Nature Methods》對兩位科學家做了特別介紹。
一般的光學顯微鏡只能觀察到組織的外層，傳統(tǒng)的顯微技術也無法觀察到大腦中超過700微米深度的部位。在這之前，Mark Schnitzer等人為了解決這個問題，研發(fā)了一種新技術，能通過把微內(nèi)窺鏡(microendoscope)套在微小玻璃管中，再伸入被麻醉小鼠的大腦深部，從而研究人員能每周甚至每個月對大腦的同一位置重復觀察，并且這樣大腦也不用暴露于外界，阻斷了感染的危險。研究人員利用這個方法觀察了神經(jīng)膠質(zhì)瘤小鼠模型，觀察到了神經(jīng)膠質(zhì)瘤在大腦深部的特征性生長方式，與生長在表面的腫瘤相同。
但是這種方法還達不到他們的要求，他們需要更新的技術。El Gamal說，“我們想要設計一個整套系統(tǒng)”，終他們研發(fā)出了一種包含一個半導體成像感應器，一個發(fā)光二極管(LED)，以及一個聚焦系統(tǒng)，一面鏡子，鏡頭和過濾器，以及9根操控電源和信息處理的導線的顯微系統(tǒng)，令人驚訝的是整個系統(tǒng)僅僅1.9克!而且這一顯微系統(tǒng)能觀察到小腦****中的血流(秒鐘級別)，以及同時捕獲超過200個個體神經(jīng)元中的鈣火花。
對于這項成功的合作，El Gamal認為這與典型的設計新型芯片的工程項目完全不同，這項研究的關鍵點不是證明理論概念，而是用于實際情況的功能應用。他表示：“收益不僅是這一系統(tǒng)本身，而且證明了其在生物學中的實際應用。”
原文摘要：
Miniaturized integration of a fluorescence microscope
Kunal K Ghosh, Laurie D Burns, eric D Cocker, Axel Nimmerjahn, Yaniv Ziv, Abbas El Gamal & Mark J Schnitzer
The light microscope is traditionally an instrument of substantial size and expense. Its miniaturized integration would enable many new applications based on mass-producible, tiny microscopes. Key prospective usages include brain imaging in behaving animals for relating cellular dynamics to animal behavior. Here we introduce a miniature (1.9 g) integrated fluorescence microscope made from mass-producible parts, including a semiconductor light source and sensor. This device enables high-speed cellular imaging across ~0.5 mm2 areas in active mice. This capability allowed concurrent tracking of Ca2+ spiking in >200 Purkinje neurons across nine cerebellar microzones. During mouse locomotion, individual microzones exhibited large-scale, synchronized Ca2+ spiking. This is a mesoscopic neural dynamic missed by prior techniques for studying the brain at other length scales. Overall, the integrated microscope is a potentially transformative technology that permits distribution to many animals and enables diverse usages, such as portable diagnostics or microscope arrays for large-scale screens.
