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哥倫比亞大學用強大技術實時發現前所未有神經系統細節

作者：change?  於 2019-3-8 06:27 發表於 最熱鬧的華人社交網路--貝殼村

通用分類:博你一笑


高速，3D SCAPE顯微鏡捕獲令人驚嘆的果蠅神經細胞的實時視頻
哥倫比亞團隊利用強大的技術發現前所未有的神經系統細節，展示了SCAPE破譯大腦的廣泛潛力


......這讓我們有機會逐個細胞地了解完整的神經系統是如何運作的。

哥倫比亞工程師和神經科學家聯合起來創建了單個神經細胞的3D視頻，這些神經細胞在移動時拉伸和切換果蠅幼蟲。從這些視頻中收集的數據揭示了稱為本體感受神經元的神經細胞如何協同工作以幫助身體感知它在太空中的位置。為了實現這一壯舉，研究人員利用了SCAPE，這是一種在哥倫比亞開發的尖端顯微鏡，能夠以閃電般的速度對神經元進行成像。 

今天發表在「當代生物學」雜誌上的這些研究結果說明了SCAPE能夠以前所未有的細節揭示神經系統的內部運作。通過在動物爬行時創建3D，幼蟲神經細胞的實時動作圖像，SCAPE允許研究人員準確地看到沿著體壁的細胞如何報告運動回到大腦。「我們知道，雖然電脈衝通過神經元，大腦會接收感覺信號，但我們不明白為什麼某些神經元位於特定位置，或者特定信號模式如何代表不同的運動，」Wesley Grueber博士說。哥倫比亞大學Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute的首席研究員和該論文的共同資深作者。

 「為了理解這個過程，我們需要知道當幼蟲不受約束地爬行時神經元發出的信號。」「雖然我們可以製造幼蟲的神經元在射擊時用熒光閃游標記，但我們很難對它們進行成像，」Reueca Vaadia說，他是Grueber實驗室的博士候選人，也是該論文的共同第一作者。 「即使我們最快的顯微鏡也要求標本被限制在不自然的慢速移動，所以在我們開始使用SCAPE之前，我們永遠無法真正捕獲反映動物自然，無阻礙運動的神經活動。」 

哥倫比亞大學扎克曼研究所的首席研究員，該論文的共同資深作者伊麗莎白希爾曼博士說：「我們開發了SCAPE來實現3D中的事物。」 「通過合作，我們很快就發現，當它們爬行時，我們可以記錄在果蠅幼蟲體內閃爍的神經細胞。我們的高速度使我們能夠測量身體的複雜，3D運動以及這些運動過程中神經元的活動。我們可以實時這樣做。「  

該成像產生了大量數據。為了理解它，該團隊開發了跟蹤每個本體感受細胞的演演算法，並確定在爬行過程中身體壓縮和伸展時的確切活動時間。 「我們看到每個細胞的位置使其對身體整體形狀的特定變化敏感，當我們排列所有神經元的信號時，我們看到他們產生了反映每個身體部位運動的詳細信號序列， 「該論文的共同第一作者，Wenze Li博士說，他最近在哥倫比亞希爾曼實驗室獲得了電氣工程博士學位。 「這就像一台漂亮的機器。

「我們的實驗一致表明，當幼蟲爬行時，每個本體感受器神經元的反應都不同，如果幼蟲受到限制就無法進行觀察，」Grueber博士說，他也是生理學和細胞學的副教授。哥倫比亞大學Vagelos醫師和外科醫生學院的生物物理學和神經科學。 「我們實時看到，當動物的身體伸展時，一些神經元是如何發射的，而其他神經元則在被壓縮時發射。」  

科學家長期以來一直假設本體感受伴隨著冗餘，因為關閉這些神經元中的一個 - 甚至一些神經元只能使幼蟲爬行更慢。然而，今天的研究發現，每個神經元都有自己稍微不同的角色，並且精確定位以感知動物運動的特定方面。該團隊證明了這條規則不僅適用於爬行，而且對於編碼更複雜的動作非常重要。 「我們在破譯這些細胞的代碼方面取得了很大進展，」瓦迪亞說。 首先由Hillman博士及其同事在2015年描述，SCAPE（掃描共焦對齊平面激發）顯微鏡通過用一張激光掃描它們來形成活體樣品的3D圖像。 

SCAPE的獨創性在於能夠通過一個固定的物鏡投射和檢測這個移動的光片。 SCAPE提供的3D成像速度比逐點掃描物體的傳統顯微鏡快500倍。SCAPE尤其適用於對諸如果蠅等小生物進行成像，因為它們可以非常透明，並且足夠小，可以對整個大腦或身體 - 以及它們內部的單個細胞進行成像。 「蒼蠅，蠕蟲和魚的大腦比人類簡單得多，但這讓我們有機會逐個細胞地了解一個完整的神經系統是如何工作的，」希爾曼博士說，他也是哥倫比亞工程公司的生物醫學工程教授。和哥倫比亞大學Vagelos醫師和外科醫生學院的放射學教授。 「我們有充分的理由相信，如果我們能夠更好地理解這些簡單的系統，那麼所吸取的教訓將擴展到更複雜的系統，包括哺乳動物。」  

SCAPE捕捉大腦的能力正處於最佳狀態，因為Fly和Human Connectome Projects等計劃旨在建立神經系統結構和連接的詳細地圖。 BRAIN計劃的一個主要目標，即為SCAPE的發展提供資金並支持Drs。 Hillman和Grueber的合作，就是破譯這種結構 - 功能關係。最終目標是利用SCAPE等新工具來準確理解大腦細胞之間數十億的連接，與其複雜的活動并行，能夠產生大腦能夠產生的複雜行為。

 「我們已經證明，SCAPE可以跟蹤和繪製爬行果蠅幼蟲中的本體感受神經元，這只是許多研究中的第一個，現在可以探索其他動物的蒼蠅和神經系統，」李博士說。 「我們現在可以逐字地標記任何類型的細胞，並在動物移動，進食甚至形成記憶時發現它正在做什麼;可能性是無止境。」

本文的標題是「使用高速容量顯微鏡觀察果蠅幼蟲行為的本體感受系統動力學的特徵。」其他貢獻者包括Venkatakaushik Voleti和Aditi Singhania。 這項研究得到了BRAIN計劃（5U01NS094296，UF1NS108213），美國國立衛生研究院（5R01NS061908,5T32HD00740-18），McKnight基金會，國防部，海軍研究辦公室多學科大學研究計劃項目（W911NF）的支持。 -12-1-0594），西蒙斯基金會全球大腦合作和國家科學基金會。 Elizabeth Hillman，Venkatakaushik Voleti和Wenze Li通過諮詢活動以及哥倫比亞大學和徠卡顯微系統公司之間就SCAPE商業開發達成的許可協議宣布了對SCAPE顯微鏡的經濟利益。

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Google Doodle慶祝數學家Olga Ladyzhenskaya：「她這一代最具影響力的思想家之一」



谷歌於2019年3月7日星期四用Google Doodle慶祝俄羅斯數學家Olga Ladyzhenskaya。這將是她97歲生日

Olga Ladyzhenskaya克服了個人和政治障礙，並對從天氣預報到心血管科學和海洋學等一系列科學領域產生了持久的影響。 周四谷歌用谷歌塗鴉慶祝她的生活和成就，這將是她97歲生日那天。 Ladyzhenskaya因其對偏微分方程的研究而聞名。威斯康星大學的數學家Marshall Slemrod告訴紐約時報，「如果你相信你的天氣預報，你必須解決她研究的確切方程式。」Ladyzhenskaya出生於距離莫斯科400多英里的鄉村小鎮Kologriv，繼承了她父親的代數之愛，這位來自俄羅斯貴族的數學家。當她15歲時，個人悲劇發生，因為她的父親被蘇聯當局處決，後者稱他為「國家的敵人」。她的母親和姐姐賣了衣服，鞋子和肥皂把食物放在桌子上。儘管在列寧格勒州立大學取得了令人印象深刻的學業成績，但由於她父親的「敵人」地位，Ladyzhenskaya被禁止參加。 經過多年在孤兒院和高中的數學教學，她最終於1943年在莫斯科國立大學獲得了博士學位，並獲得了博士學位。 Ladyzhenskaya後來成為Steklov數學研究所數學物理實驗室的負責人，並撰寫了250多篇論文。 1990年，她成為聖彼得堡數學學會的負責人，成為39年的會員。

為了表彰她對數學的傑出貢獻，Ladyzhenskaya於2002年被俄羅斯科學院授予羅蒙諾索夫金獎。 就像她持不同政見的父親一樣，她並沒有迴避公開批評壓迫性的蘇維埃政權，經常冒著安全的風險。隨著她對文學的熱愛，Ladyzhenskaya成為直言不諱的政治評論家Alexander Solzhenytsin和Anna Akhmatova。 即使在1991年蘇聯解體和隨之而來的經濟困境之後，Ladyzhenskaya也選擇留在她的祖國。她於2004年1月12日在聖彼得堡去世，享年81歲。

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2019美國保守派政治行動大會（CPAC）參議院司法委員會主席林賽.格雷厄姆問大家擔心中國學者學生偷竊美國科技嗎？




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