大腦是由成千上萬個神經細胞集合而成,是動物體中最重要的器官,但這些神經細胞是如何藉由彼此間的連結與交互作用,產生思考決策等高階功能,科學家絞盡腦汁還是沒有找到答案。

在科技部專案研究計畫支持下,由台大物理系教授朱士維成立的跨領域團隊,聯手清大電機系與工程與系統科學系、交大光電學院以及捷絡生物科技,共同研發「新穎光學顯微鏡成像技術平台」,可透過高速、高解析度觀察到果蠅腦中單一神經細胞的電生理動態行為,並藉由與人腦神經網路運作機制類似的果蠅,揭開人腦的奧秘。

該跨領域團隊開發出第一個可在果蠅活體全腦中以毫秒解析度觀察三度空間神經動態行為的「高速體積成像系統」(High-speed volumetric imaging system),相關成果已於去年發表在光學期刊《Optics Letters》。

透過上述「高速體積成像系統」,並擴充自製光學神經激發系統,做到「全光學生理」觀察(all-optical physiology),成功解析果蠅腦中的視覺神經迴路上下游的神經連結與編碼模式,以瞭解腦神經的運作,相關成果於去年發表在《iScience》。

此外,研究人員並發展「深組織超解析光學技術」(Confocal lOcalization deep-imaging with Optical cLearing;COOL),結合螢光蛋白標定、共軛焦掃描顯微鏡、光學組織澄清技術以及定位顯微技術等先進科技,以非侵入方式、20奈米空間解析度分辨出果蠅全腦中相鄰或彼此纏繞糾結之神經纖維分佈,找出其連結點所在,藉以判斷神經連結路徑,相關成果也於去年發表在《iScience》期刊。

deep issue imaging

研究團隊開發「深組織超解析光學技術」,將兩條緊密交纏的神經纖維清楚分離開來。圖中為相同神經與染色,傳統共軛焦影像無法分辨神經纖維的細緻結構。

研究團隊並發現,現有可穿透鼠腦組織約1釐米的「雙光子影像系統」無法在果蠅腦中成像的主因,可能是其氣管結構所造成的像差,因而首度完成此像差的組織光學衰減定量,並證明使用「長波長三光子螢光」即可改善影像,有機會進行果蠅活體全腦觀察,相關成果於去年發表在《Biomedical Optics Express》期刊。

目前,研究團隊正持續開發最新的光學技術,並與清大系統神經科學研究所江安世院士帶領的「腦科學研究特色中心」緊密合作,期望實現「功能性全腦連結體」(connectome),以具備高時間解析度(毫秒)、高空間解析度(次微米到奈米)以及高穿透深度(釐米)的高規格影像技術,觀察果蠅活體全腦中每一個神經細胞在學習與記憶時的動態連結,進一步揭開大腦運作的奧秘。