香港文匯報訊 科大工學院研究團隊成功開發一項全球首創技術，能夠以近乎無創方式，毋須對實驗動物實施麻醉，在清醒狀態下的實驗小鼠大腦進行高分辨率圖像掃描。這項創新技術使科學家能直接觀察大腦在自然運作狀態下的組織活動，未來將有助深入探索人類腦部在健康和疾病狀態下的的快速活動、複雜的網絡互動，以及疾病演化，為學習、記憶、精神健康和神經疾病等領域開啟知識大門。
人類大腦構造極其複雜，現有成像技術如磁力共振成像、腦電圖、電腦斷層掃描和正電子發射斷層掃描等，均難以解析大腦微細結構及工作機制。用作實驗模型的小鼠在自然活動時亦會導致掃描圖像模糊，令觀察大腦細微部位的活動變得十分困難。
圖像更清晰 測量速度快十倍
由科大工學院電子及計算機工程學系教授瞿佳男帶領團隊開發的新技術「數字復用焦點感測與整形」（Multiplexing Digital Focus Sensing and Shaping，簡稱MD-FSS），建基於團隊2022年的「類比鎖相相位檢測焦點感測與整形」（Analog Lock-in Phase Detection Focus Sensingand Shaping，簡稱ALPHA-FSS）技術進一步開發而成。MD-FSS 技術顯注提升了點擴散函數（即物體面點光源在光學系統成像下的三維光場分布）的測量速度，能引導多束空間分離的弱雷射光與強雷射光在大腦中同步運作，產生非線性干涉效應。每束雷射光均以特定頻率編碼，並載有獨特的空間訊息。團隊採用先進的「數位相位解調」技術，能夠從高雜訊背景中精確提取微弱訊號，實現並行解碼。這種方法能將測量時間縮短至0.1 秒以內，速度較原有技術提升十倍以上，並可實時追蹤大腦動態，提供更清晰、更精確的圖像。
多光子顯微鏡的分辨率較現有腦電圖、電腦斷層掃描等成像方法高出數百至數千倍，能夠清晰觀測單個神經元、免疫細胞乃至最微細的毛細血管結構及其功能。團隊將MD-FSS 技術與多光子顯微鏡相結合，構建出「自適應光學多光子顯微技術」，實現了對大腦活動的多功能動態觀測。該技術可追蹤小鼠大腦免疫細胞的功能變化、測量毛細血管中的血液流動速度、觀察神經細胞在思維和感知處理過程中的活動狀態，並監測腦細胞與血管之間的相互作用。
靈活擴展 配合未來研究
瞿佳男表示，新技術具備快速校正像差的能力，不僅可實現高品質成像，亦不會對實驗小鼠的腦組織造成損傷。在不受麻醉藥物干擾的情況下，能夠以亞細胞級分辨率捕捉實驗小鼠大腦中神經元、膠質細胞和血管的動態變化，這將有助科學界深入探索人類腦部在健康和疾病狀態下的各種運作，為神經科學研究開闢全新視野。系統目前採用了八束弱雷射光進行點擴散函數的測量，隨着光控技術的進一步升級，日後可增加至數十以至數百束，以完成更快速、範圍更廣的成像。
研究結果已於國際期刊《自然通訊》發表，論文題為「基於快速自適應光學在清醒活動小鼠中實現近非侵入性高解析度腦成像」，由瞿佳男教授和電子及計算機工程學系博士畢業生秦仲亞共同擔任通訊作者，博士生佘鎮濤及傅奕銘為共同第一作者。
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