科学家研制出改进型中红外显微镜 清晰度提高30倍

科学家研制出改进型中红外显微镜清晰度提高30倍这幅插图左上方是用中红外线照射的细菌，下方显微镜发出的可见光帮助捕捉图像。细菌内部的化学图像比传统的中红外显微镜清晰30倍。图片来源：2024Ideguchi等人/《自然-光子学》（NaturePhotonics）研究人员说，这一最新进展产生了120纳米的图像，比典型的中红外显微镜的分辨率提高了30倍。能够在更小的范围内更清晰地观察样本，有助于多个领域的研究，包括传染病研究，并为未来开发更精确的中红外成像技术开辟了道路。微观领域是病毒、蛋白质和分子的栖息地。借助现代显微镜，我们可以大胆地观察自己细胞的内部结构。但即使是这些令人印象深刻的工具也有其局限性。例如，超分辨率荧光显微镜需要用荧光标记标本。这有时会对样本产生毒性，而且在观察时长时间暴露在光线下会漂白样本，这意味着它们不再有用。电子显微镜也能提供令人印象深刻的细节，但样本必须置于真空中，因此无法研究活体样本。相比之下，中红外显微镜可以提供活细胞的化学和结构信息，而无需对细胞进行着色或破坏。然而，由于中红外显微镜的分辨率相对较低，它在生物研究中的应用受到了限制。超分辨荧光显微镜可以将图像缩小到数十纳米（1纳米为一毫米的百万分之一），而中红外显微镜通常只能达到3微米左右（1微米为一毫米的千分之一）。然而，东京大学的研究人员在一项新的突破中，实现了比以往更高的中红外显微镜分辨率。"我们的空间分辨率达到了120纳米，即0.12微米。"东京大学光子科学与技术研究所的TakuroIdeguchi教授解释说："这一惊人的分辨率大约是传统中红外显微镜分辨率的30倍。"研究小组使用了"合成孔径"技术，该技术结合了从不同照明角度拍摄的多幅图像，以生成更清晰的整体图像。通常情况下，样品被夹在两个透镜之间。然而，透镜会无意中吸收部分中红外光。为了解决这个问题，研究人员将细菌样本（使用了大肠杆菌和RhodococcusjostiiRHA1）放在硅板上，硅板可以反射可见光并透过红外线。这样，研究人员就可以使用单透镜，用中红外光更好地照射样品，获得更详细的图像。"我们对能够如此清晰地观察细菌的胞内结构感到惊讶。我们显微镜的高空间分辨率可以让我们研究抗菌药耐药性等世界性问题，"Ideguchi说。"我们相信，我们可以从多个方向继续改进这项技术。如果我们使用更好的透镜和更短的可见光波长，空间分辨率甚至可以低于100纳米。有了更高的清晰度，我们希望研究各种细胞样本，以解决基础和应用生物医学问题。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1428501.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1428501.htm

光子学技术新突破：科学家用微型芯片产生高质量微波信号

光子学技术新突破：科学家用微型芯片产生高质量微波信号盖塔实验室开发的光子集成芯片的高级示意图，该芯片用于全光学光分频（OFD）--一种将高频信号转换为低频信号的方法。图片来源：YunZhao/哥伦比亚工程学院这种芯片非常小巧，可以装在锋利的铅笔尖上，是迄今为止在集成光子平台上观察到的最低微波噪声。这项成果为高速通信、原子钟和自动驾驶汽车等应用提供了一条通往小尺寸超低噪声微波发生器的光明之路。用于全球导航、无线通信、雷达和精密计时的电子设备需要稳定的微波源作为时钟和信息载体。要提高这些设备的性能，关键在于减少微波中存在的噪声或相位随机波动。"在过去的十年中，一种被称为光分频的技术产生了迄今为止噪音最低的微波信号，"哥伦比亚工程学院应用物理和材料科学大卫-M-里基教授兼电气工程教授亚历山大-盖塔说。"通常情况下，这样的系统需要多个激光器和相对较大的体积来容纳所有元件。"光分频--一种将高频信号转换为低频信号的方法--是最近产生微波的创新技术，其中的噪声已被大大抑制。然而，由于光分频系统占用桌面空间较大，因此无法用于微型传感和通信应用，而这些应用需要更紧凑的微波源，因此光分频系统已被广泛采用。盖塔说："我们已经实现了一种设备，只需使用单个激光器，就能在面积小至1平方毫米的芯片上完全实现光分频。我们首次展示了无需电子设备的光学分频过程，大大简化了设备设计。"量子和非线性光子学：创新的核心盖塔的研究小组专门研究量子和非线性光子学，即激光如何与物质相互作用。研究的重点领域包括非线性纳米光子学、频率梳生成、强超快脉冲相互作用以及光量子态的生成和处理。在目前的研究中，他的研究小组设计并制造了一种片上全光学器件，该器件能产生16GHz的微波信号，其频率噪声是迄今在集成芯片平台上实现的最低频率噪声。该设备使用两个由氮化硅制成的微谐振器，通过光子耦合在一起。单频激光器泵浦两个微谐振器。其中一个用于产生光参量振荡器，将输入波转换成两个输出波--一个频率较高，一个频率较低。两个新频率的频率间隔被调整为太赫兹频率。由于振荡器的量子相关性，这种频率差异的噪声可比输入激光波的噪声小数千倍。第二个微谐振器经调整后可产生具有微波间隔的光频梳。然后，振荡器发出的少量光被耦合到梳状频率发生器，从而使微波梳状频率与太赫兹振荡器同步，自动实现光分频。潜在影响和未来应用盖塔研究小组的工作代表了一种在小型、坚固和高度便携的封装内进行光学分频的简单而有效的方法。这些研究成果为芯片级设备打开了大门，这些设备能够产生稳定、纯净的微波信号，可与进行精密测量的实验室产生的信号相媲美。他说："最终，这种全光分频将带来未来电信设备的新设计。它还能提高用于自动驾驶汽车的微波雷达的精度。"编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1425719.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1425719.htm

科学家发现基于脑成像的新型抑郁生物标志物

科学家发现基于脑成像的新型抑郁生物标志物《生物精神病学》编辑、医学博士约翰-克里斯特尔（JohnKrystal）在谈到这项工作时说："我们早就知道，像重度抑郁症这样的疾病具有高度异质性。这项对大量抑郁症患者样本进行的研究提供了线索，可以根据功能磁共振成像（fMRI）测试对抑郁症进行亚型分类，这种测试可以测量大脑各区域的协调程度，也称为'功能连接'"。研究人员使用了在多个临床地点收集到的静息态fMRI，这些患者来自1000多名MDD患者和1000多名健康对照组（HC）。该研究使用了所谓的常模，即使用来自大量参考人群的数据来量化个体偏差，这与儿科医生使用的生长图表非常相似。研究人员检查了大脑区域之间的功能连接，并绘制了MDD患者在整个生命周期中与常模预测相比的个体功能偏差图。大脑成像图和两种抑郁症亚型在大脑各区域的功能偏差图资深作者、北京师范大学的夏明瑞（音译）博士说："通过这种方法，我们发现了两种可重复的神经生理学亚型，它们表现出不同的偏离模式、抑郁项目得分和纵向治疗可预测性。"一种亚型患者在默认模式网络、边缘和皮层下区域表现出严重的正偏离--表明大脑连通性增强，而在感觉运动和注意力区域则表现出负偏离。第二种亚型患者的偏离模式较轻且相反，凸显了抑郁症在神经生理学层面的异质性。作者推测，活动的改变可能与多发性抑郁症患者的反刍倾向有关。这项工作尤其令人兴奋，因为它推动了抑郁症生物标志物或生物标记物的寻找，而目前抑郁症的诊断、治疗和预后都依赖于患者报告的临床症状。生物标志物可以为改善多发性抑郁症治疗的所有这些方面提供一种方法。夏博士接着说："这些发现从连接组学的角度揭示了抑郁症患者复杂的临床异质性背后的多种神经生物学机制。这项研究意义深远，为开发基于成像的候选生物标志物提供了宝贵的见解。这些生物标志物有望指导未来针对每位患者特定神经生理亚型的精确诊断和治疗策略。通过接受神经生理亚型的概念，我们有可能彻底改变心理健康领域，使临床医生能够根据个人独特的连接组特征进行个性化治疗。这种方法为精准医学开辟了新途径，有望改善抑郁症的治疗干预。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380463.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380463.htm

“国产设备 + 基础模型” 中国科学家团队让显微镜秒变高清相机

“国产设备+基础模型”中国科学家团队让显微镜秒变高清相机复旦大学计算机科学技术学院教授颜波带领的团队的研究成果发布在科学期刊《自然-方法》（NatureMethods）上。他们发明的跨任务、多维度图像增强基础AI模型（UniFMIR），实现了对现有荧光显微成像极限的突破。据悉，这一显微镜可以帮助科学家们能更清晰地观察到活细胞内部的微小结构和复杂过程，加速全球生命科学、医学研究、疾病诊断相关领域的科学发现和医疗创新；同时，在半导体制造、新材料研发等领域，该成果可以用来提升观察和分析材料微观结构的质量，从而优化制造工艺和提高产品质量。同时，这一研发成果，也标志着我国在关键科学仪器领域“国产设备+基础模型”的组合能有效减少对进口设备的依赖，也为全球科研领域的进步贡献了中国智慧和力量。

科学家解决了困扰数十年之久的显微镜问题

科学家解决了困扰数十年之久的显微镜问题DaanBoltje和ErnestvanderWee的实验装置。光学显微镜的镜头（右下角）被空气包围，透过玻璃板观察小球。在玻璃板顶部，样品被置于一滴水中。玻璃板和小球之间的距离可以调节，这样研究人员就可以改变深度。资料来源：代尔夫特理工大学代尔夫特理工大学（DelftUniversityofTechnology）的研究人员现在首次证明，这种扭曲并不是恒定的，这与许多科学家几十年来的假设相反。这一突破发表在《光学》（Optica）杂志上，证实了诺贝尔奖得主斯特凡-海尔（StefanHell）在上世纪90年代的预测。通过在线计算工具和软件，每位研究人员现在都能确定生物样本的正确深度。用显微镜观察生物样本时，如果物镜透镜所处的介质与样本不同，光束就会受到干扰。例如，当使用被空气包围的透镜观察水样时，光线在透镜周围的空气中比在水中弯曲得更厉害。这种干扰会导致测量的样品深度小于实际深度。"因此，样品看起来会变平。这个问题由来已久，从上世纪80年代开始，人们就提出了一些理论来确定一个用于确定深度的校正系数。然而，所有这些理论都假定这一系数是恒定的，与样品的深度无关。尽管后来的诺贝尔奖获得者斯蒂芬-海尔（StefanHell）在上世纪90年代指出，这种比例可能与深度有关，但还是出现了这种情况"，雅各布-霍根布姆（JacobHoogenboom）副教授解释道。代尔夫特理工大学的前博士后谢尔盖-洛格诺夫（SergeyLoginov）通过计算和数学模型证明，样品在靠近透镜的地方确实比远离透镜的地方显得更加扁平。博士生DaanBoltje和博士后ErnestvanderWee随后在实验室证实，矫正因子与深度有关。VanderWee："我们已将结果汇编成网络工具和软件，随文章一起提供。有了这些工具，任何人都可以为自己的实验确定精确的校正因子"。"部分得益于我们的计算工具，我们现在可以非常精确地从生物系统中切出蛋白质及其周围环境，用电子显微镜确定其结构。这种显微镜非常复杂、耗时，而且价格昂贵。因此，确保观察到正确的结构非常重要，"Boltje说。"有了我们更精确的深度测定，我们在错过生物目标的样本上所需花费的时间和金钱就会大大减少。最终，我们可以研究更多相关的蛋白质和生物结构。而确定生物系统中蛋白质的精确结构，对于了解并最终防治异常和疾病至关重要。"在他们制作的网络工具中，您可以填写实验的相关细节，如折射率、物镜孔径角和所用光线的波长：https://axialscaling.pythonanywhere.com/然后，该工具会显示与深度相关的缩放因子曲线。您还可以导出这些数据供自己使用。此外，您还可以将结果与现有理论的结果结合起来绘制。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1428229.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1428229.htm

我国科学家研发出低功耗类脑芯片

我国科学家研发出低功耗类脑芯片据中国科学院自动化研究所消息，该所李国齐、徐波课题组与国内科技企业等单位合作，近日设计了一套能够实现动态计算的算法-软件-硬件协同设计的类脑神经形态SOC（SystemonChip）系统Speck，展示了类脑神经形态计算在融合高抽象层次大脑机制时的天然优势，相关研究在线发表于《自然・通讯》（NatureCommunications）。该研究提出了“神经形态动态计算”的概念，通过设计了一种类脑神经形态系统Speck来实现基于注意力机制的动态计算，在硬件层面做到“没有输入，没有功耗”，在算法层面做到“有输入时，根据输入重要性程度动态调整计算”，从而在典型视觉场景任务功耗可低至0.7毫瓦，进一步挖掘了神经形态计算在性能和能效上的潜力。