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全脑显微成像技术获2014年度国家技术发明奖二等奖

导读: 在2014年度国家科学技术奖励大会上,“单细胞分辨的全脑显微光学切片断层成像技术与仪器”项目摘取了本年度国家技术发明奖二等奖。

  美国“脑研究计划”被《SCIENCE》评价为与“人类基因组计划”相媲美的重大工程,其中的高精度、大范围观测脑细胞及回路连接,对揭示阿尔茨海默症、帕金森症等重大脑疾病的成病机理意义重大,其核心环节是对大脑结构的精确测量。常用的磁共振技术虽测量范围大,但不能分辨单细胞水平的细节;电镜的精度高却成像时间长,且难以大范围检测,类似于近距离观看照片,细节清晰而无法看到整张画面。为此,美国采用传统技术,历时3年耗资近亿美元获得了小鼠全脑图谱,但精度远未达到单细胞水平。因此研发观测精度高(1微米级)、范围大(数厘米级)的单细胞分辨的全脑显微成像技术,成为亟待解决的难题。

  美国NIH、NSF等长期资助,一直未取得突破,其瓶颈是缺乏高分辨连续成像技术,及配套的组织样本处理、切削技术。针对上述问题,在国家自科基金等支持下,经十余年从理论、方法到仪器的系统研究,主要发明如下:

  1. 在国际上率先建立基于光折射率差异的组织切片成像理论,发明了一种反射式切片成像技术,突破传统的“先切片再成像”模式,解决样本薄片无法准确、快速成像的问题,奠定了生物组织的高分辨连续成像技术基础。

  2. 发明一系列大体积脑组织的样本处理方法,在国际上首次实现完整鼠脑的均匀染色和塑性包埋,填补传统方法难以对大体积组织均匀染色、塑性包埋的空白。

  3. 发明一种全自动精密组织切削技术,攻克传统方法中手工切削大样本所带来的切薄困难、样片易损、刀具寿命短等难题,保证成像信息的连续、完整和有效。

  4. 建立单细胞分辨的全脑显微光学成像技术体系,首创显微光学切片断层成像仪器(MOST),绘制出世界上第一套单细胞分辨的小鼠全脑三维结构图谱。

  在2014年度国家科学技术奖励大会上,“单细胞分辨的全脑显微光学切片断层成像技术与仪器”项目摘取了本年度国家技术发明奖二等奖。项目属生物医学工程光学成像领域,其项目完成人系华中科技大学骆清铭、龚辉、李安安、曾绍群、张斌、吕晓华。项目申请发明专利20项(获批11项);获软件著作权6项。原创成果发表于国际顶级期刊SCIENCE,被美国科学院院士、心理学会前主席Gazzaniga等国际同行、及麻省理工学院、斯坦福大学、马普研究所等单位在NATURE、SCIENCE、认知神经科学趋势等国际一流刊物上多次正面引用。

  SCIENCE专栏评价:“来自中国的团队竭尽全力地创造出最精细的小鼠全脑神经元三维连接图谱”、“没有一家能达到与中国工作类似的精细程度”、“所提供的数据和新的自动化脑图谱获取仪器将会为未来的研究提供重要基础”。NATURE METHODS的综述评价“首次展示了鼠脑内单根轴突的长距离追踪”。国际期刊《临床神经生理学》副主编认为“利用MOST技术取得了详细描述鼠脑连接的重大突破”。

  所研发的MOST仪器已应用于诺贝尔生理或医学奖得主Sudhof教授实验室、美国冷泉港实验室、北京生命科学研究所、上海神经所、药物所等20余家知名科研机构的脑研究,后续研究获得“国家重大科学仪器设备开发专项”支持。核心专利经知识产权交易所公开挂拍,以1千万元转让,成为教育部直属高校中首个案例,探索了一条基础研究重大成果的产业化道路。

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