神經光子學，英文名為Neurophotonics。神經光子學屬於生物醫學光子學範疇之內，特指用光和其它以光子為量子單位的輻射能來解決神經科學問題的新興交叉科學。神經光子學包含用於腦結構和功能成像及操縱的新穎光學技術，覆蓋從細胞器、蛋白質組裝的成像可視化到人類腦皮層活動的無損探測研究。新技術和套用迅猛發展，推動著對神經現象理解的巨大進展，包括正常及疾病狀態下的電興奮性、神經膠質的夥伴關係、神經血管信號傳導、代謝活動和血流動力學。
基本介紹
- 中文名：神經光子學
- 外文名：Neurophotonics
科學研究,前景預測,擴展閱讀,
科學研究
2014年2月神經光子學專題會議首次登入美國西部光子學會議，E. Duco Jansen和駱清銘教授共同擔任會議主席。2015年7月同名Neurophotonics雜誌首次出版發行，主編為David Boas教授。2013年，美國總統歐巴馬啟動“推進創新神經技術腦研究計畫”（BRAIN Initiative），旨在通過大規模的協同努力去資助研究者以獲得基礎性新知，為攻克諸多腦疾病的目標服務。BRAIN計畫以來，各種腦研究（也即神經科學）在世界範圍內蓬勃發展，很大程度上得益於光學技術。
腦研究按照不同尺度可以分成三個層次：巨觀尺度（Macroscale）、介觀尺度（Mesoscale）、微觀尺度（Microscale）。巨觀尺度主要包含不同腦區連線的研究，通常使用磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)；介觀尺度主要包含單個或一群神經細胞及其投射的研究，通常使用光學顯微鏡成像；而微觀尺度主要包含突觸連線層次的研究，一般需要藉助電子顯微鏡（electron microscope，EM）成像。近二十年腦科學研究發展迅猛，一方面已在分子、基因等微觀水平，對神經元基因表達特異性、蛋白質功能以及突觸傳遞等方面取得長足進步，對不同類型神經元的細胞工作機理有了深入認識。另一方面，得益於磁共振成像、正電子發射層析成像（positron emission tomography，PET）、腦電記錄等先進技術的套用，對巨觀水平的腦功能，如大腦皮層各腦區（如運動、感覺皮層等）的功能有較深入的理解；對多種神經性疾病的腦結構和功能有較全面的表征。然而，對於聯繫微觀突觸信息傳遞和巨觀腦功能之間的介觀層次的神經環路信息，還知之甚少。前期研究已知，腦功能不是由單個神經元或單一腦區獨立產生，而是依賴於神經環路內的神經元集合、皮層功能柱或者局部腦區互動作用的結構，所以腦研究需要兼顧不同層次水平。雖然腦科學已在巨觀尺度和微觀尺度都取得了巨大的進步；但對於在巨觀和微觀之間的鴻溝，即介觀尺度的認知幾乎是空白，而那裡可能正是大腦奧秘所在。目前，人們只對僅有302 個神經元的線蟲(C. elegans) 的神經環路進行了較完整的研究，而對於擁有約10萬個神經元的模式動物果蠅(Drosophila)腦的相關研究還只是剛剛起步。相比之下，研究高等哺乳動物擁有數以百億計神經元的複雜神經環路，對傳統技術而言是極大的挑戰。
傳統技術無法解決突起水平分辨和全腦範圍探測這一矛盾。在巨觀水平，磁共振成像被視為腦成像的“金標準”，但對組織樣本只能實現數十微米的分辨能力，磁場強度、梯度場強度、成像時間、線圈靈敏度等都是制約解析度的客觀因素。目前，已有一些研究者開始用擴散磁共振成像（diffusion magnetic resonance imaging, dMRI）探索腦的細胞構築和白質纖維束。dMRI能夠測量腦組織中水分子的擴散運動信號，並以此推算關於細胞完整性和組織微觀結構改變的相關信息，進而間接地反映出腦白質纖維束的物理和功能特性。dMRI為全腦神經纖維結構研究提供了獨特的非侵入性活體檢測手段，已成為腦成像研究領域中常用的方法之一，但仍然受限於解析度。在微觀水平，電子顯微鏡是顯示腦組織精細結構的有力工具，其解析度可達到1 nm。但是，電子顯微鏡難以進行全腦的探測，據估算，僅成像1 mm3 的樣本就需1 萬人年工作量。光學顯微鏡(optical microscope)的解析度介於MRI 和EM 之間，幾乎可以觀察到所有的神經元突起，而且適用於光學成像的神經標記技術非常豐富，對研究完整大腦的構築和連線而言，光學顯微成像技術更具有可行性和普適性。但是，傳統的寬場光學顯微鏡不具備三維層析能力，又因組織對光存在著吸收和散射的影響，成像深度受到限制。為了解決高解析度與大探測範圍難以兼得的問題，近年來，開發了一系列新穎的光學成像技術且已被套用到腦研究中，諸如：光片照明顯微成像、雙光子序列斷層成像和顯微光學切片斷層成像等等。這些成像技術分別結合一定的組織樣品透明、或是機械切削，可以實現諸如小鼠全腦等樣品的光學解析度成像及三維可視化。駱清銘教授課題組發明了顯微光學切片斷層成像技術；成功獲取了螢光標記、Golgi、Nissl和印度墨水染色的小鼠全腦數據集，三維解析度達到1 µm；開發了適應于海量數據集的自動分析技術，展示了對小鼠全腦進行高分辨成像和可視化的能力（圖1）。
圖1 採用顯微光學切片斷層成像技術獲得的小鼠全腦及神經元形態、神經環路、細胞構築和血管結構的可視化結果。
前景預測
神經光子學作為光學和神經科學的接口，包括各種研究腦（神經）的光學技術，諸如：顯微鏡技術、超分辨納米顯微鏡技術、光遺傳學及其它操控細胞行為的光學方法、合成或是基因編碼的光學報告子和刺激子、光透明技術、覆蓋光學到超聲解析度的光聲成像等。同時，這些光學技術對神經科學基礎研究和臨床套用產生重大影響；提供了一系列面向神經科學問題的方法，諸如研究神經膠質和血管生理的方法、研究神經細胞能量代謝的方法、適用於腦功能和生理的無損測量及成像技術等。特別地，神經光子學技術以其無損、非接觸、便攜、廉價等優點，將可以更好地向臨床轉化和套用。
擴展閱讀
BRAIN 2025: A Scientific Vision. National Institutes of Health (2014).
Bohland J W, Wu C Z, Barbas H, et al. 2009. A proposal for a coordinated effort for the determination of brainwide neuroanatomical connectivity in model organisms at a mesoscopic scale. Plos Comput Biol, 5(3): e1000334.
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
Craddock R C., Jbabdi S, Yan C G, et al. 2013. Imaging human connectomes at the macroscale. Nat Methods, 10: 524-539.
Li A, Gong H, Zhang B, et al. 2010. Micro-optical sectioning tomography to obtain a high-resolution atlas of the mouse brain. Science, 330(6009): 1404-1408.
Luo L, Callaway E M, Svoboda K. 2008. Genetic dissection of neural circuits. Neuron, 57(5): 634-660.
Osten P, Margrie T W. 2013. Mapping brain circuitry with a light microscope. Nat Methods, 10(6): 515-523.
