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腦微觀重建與智能分析助力線粒體解碼神經元活動研究

  • 發表日期:2019-11-26 【 【打印】【關閉】
  •   自動化所韓華研究員團隊通過其自主研發的電鏡三維成像和快速重建技術,首次展現小鼠運動皮層錐體神經元胞體和樹突中數百個線粒體的三維形態,發現神經元樹突中線粒體依靠較細的“線粒體納米管道”連接在一起(管道直徑30-50納米)的現象,有力支撐線粒體解碼神經元活動的研究。 

      相關成果“Brain Activity Regulates Loose Coupling between Mitochondrial and Cytosolic Ca2+ Transients20191121日在線發表于《Nature Communications》,由北京大學分子醫學研究所程和平院士團隊領銜。該研究首次報道了腦神經元線粒體與胞質之間鈣瞬變的概率性耦合以及其耦合度如何受大腦信息加工活動的調節,該成果揭示了腦內重要的細胞能量工廠-線粒體,是如何解碼神經元活動模態,從而精準調控腦動態能量代謝的新現象和新機制。 

      作為該項研究的重要合作者,團隊首先制備和成像重染細胞膜的小鼠運動皮層樣品,獲取皮層L1L2/3區域的電鏡三維數據(分辨率5nm*5nm*50nm、范圍40.9um*40.9um*35.4um81.9um*81.9um*19.2um);其次,針對上述數據建立了一套高準確率的線粒體自動識別與快速重建方案,提取了大多數線粒體的精細三維結構;最后,運用統計分析發現,與神經元樹突線粒體相比,胞體中線粒體的平均長度、平均體積和體積占比更少,表明線粒體在細胞內不同部位的分布與細胞局部的功能密切相關,具體結果見論文圖1 

      團隊成員李琳琳博士(第2作者)、肖馳博士(第6作者)作為主要人員完成了上述研究,陳曦副研究員、李國慶副研究員、沈麗君博士、謝啟偉教授、張麗娜工程師、馬宏圖工程師等在過程中給予了幫助和支持。 

      韓華研究員帶領的腦微觀重建與智能分析團隊一直致力于解決微觀神經大數據重建效率低下的難題,為腦科學和類腦智能研究提供突觸水平神經結構重建所需的技術服務、解決方案和共享平臺。團隊從突觸連接水平上解析腦網絡結構和模型,從樣品制備、自動切片、顯微成像、圖像合成及三維重建等關鍵技術攻關,提升數據獲取和標注分析效率,將成像系統與上游的樣品制備系統和下游的數據分析系統集成,成功研發突觸水平神經大數據重建平臺和生物高通量電鏡三維影像系統,先后通過北京市和中科院的技術驗收,形成了具有自主知識產權的一站式、大體量、高通量的微觀腦圖譜解決方案。同時,該方案在北京懷柔綜合性國家科學中心腦認知功能圖譜與類腦智能交叉研究平臺中起到了重要支撐作用。 

    論文圖1

      突觸水平神經大數據重建與分析平臺 

    論文:Yuan Lin, Lin-Lin Li, Wei Nie, Xiaolei Liu, Avital Adler, Chi Xiao, Fujian Lu, Liping Wang, Hua Han, Xianhua Wang, Wen-Biao Gan , Heping Cheng .Brain activity regulates loose coupling between mitochondrial and cytosolic Ca2+ transients. Nature Communications 2019 

    論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-13142-0

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