台清交聯手打造毫米級光學顯微鏡 讀懂果蠅在想什麼

2020.03.12 03:12PM
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研究果蠅的腦袋要做什麼?原因是果蠅大腦機制與人類相似,藉由了解果蠅大腦運作有益於解開人類大腦的秘密。台灣大學、清華大學與交通大學聯手打造毫米級光學顯微鏡,利用「深組織超解析光學技術(COOL)」可觀察到果蠅腦內單一神經細胞的電生理動態行為。

為了解人類大腦的奧秘,台大攜手清大、交大成立跨領域團隊,藉研究與人腦機制類似的果蠅大腦,發展出解析度提升10倍的光學技術,不僅能看見神經纖維分布,還能讀懂果蠅思想。

果蠅和人腦神經網路運作機制相近,許多科學家常拿果蠅作為研究對象。在科技部支持下,台大物理系教授朱士維成立跨校、跨領域團隊,與清大電機系副教授李夢麟和教授楊尚達、清大工程與系統科學系副教授吳順吉、交大光電學院副教授詹明哲和捷絡生物科技股份有限公司執行長林彥穎,共同研發「新穎光學顯微鏡成像技術平台」。

研究團隊發展3項關鍵技術,讓光學顯微鏡成像技術具備高速、高解析度優點,可以觀察到果蠅腦中單一神經細胞的電生理動態行為。

首先,團隊為了「看清楚」果蠅大腦的結構,發展「深組織超解析光學技術(COOL)」,解析度比傳統光學顯微鏡成果高10倍。

朱士維指出,傳統光學顯微鏡往往只能看到200奈米,約是人類一根頭髮千分之一的粗細,但神經細胞的纖維常常不到100奈米。團隊藉該技術可以看到20奈米,因此可以看到神經細胞纖維的分布,進一步判斷果蠅的神經連結路徑。

其次,為了解果蠅大腦的功能,團隊發展出全球第1個毫米級速度、可看到果蠅活體神經動態行為的「高速體積成像系統(High-speed volumetric imaging system)」。該成果於去年發表在光學重要期刊光學快報(Optics Letters),也被選為必讀文章。

了解果蠅的神經細胞如何溝通還不夠,團隊改用「長波長三光子螢光」,改善影像品質,讓顯微鏡可以看到果蠅更深層的腦部運作。從原本0.1釐米深度,現在最深可以穿透到近1釐米,優化近10倍。

清大生醫工程與環境科學系助理教授朱麗安說,光學顯微鏡的成像技術突破,好比過去只能看見高速公路道路,現在則可以看到路上每輛車、甚至觀察到車流的移動。

朱士維表示,這些技術未來都有機會應用在生物科學、醫學和材料領域,盼藉由先了解果蠅大腦,未來能更進一步了解人類大腦結構與訊號運作機制。

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