科学家以前所未有的"实时"视角揭示大脑的复杂性

科学家以前所未有的"实时"视角揭示大脑的复杂性要掌握这种复杂程度的信息极具挑战性，因此我们必须采用先进的技术，在微观层面上解码大脑内部发生的微小而复杂的相互作用。因此，成像技术成为神经科学领域的关键工具。约翰-丹泽尔（JohannDanzl）在国际科学与技术协会（ISTA）的研究小组开发的新型成像和虚拟重建技术是大脑活动成像技术的一大飞跃，并被恰当地命名为LIONESS-即实时信息优化纳米镜成像技术（LiveInformationOptimizedNanoscopyEnablingSaturatedSegmentation）。LIONESS是一个用于成像、重建和分析活体脑组织的管道，其全面性和空间分辨率是迄今为止无法实现的。a:复杂的神经元环境b:LIONESS可以对样本进行成像和重建，从而阐明活体脑组织中的许多动态结构和功能。资料来源：JohannDanzl"有了LIONESS，我们第一次有可能对活脑组织进行全面、密集的重建。通过对组织进行多次成像，LIONESS让我们能够观察和测量大脑中的动态细胞生物学过程，"第一作者PhilippVelicky说。"输出结果是细胞排列的三维重建图像，时间是第四维，因为样本可以在几分钟、几小时或几天内成像。"LIONESS的优势在于精良的光学技术和构成其核心的两级深度学习（一种人工智能方法）：第一级提高图像质量，第二级识别密集神经元环境中的不同细胞结构。该管道是丹泽尔小组、比克尔小组、乔纳斯小组、诺瓦里诺小组、ISTA科学服务单位以及其他国际合作者的合作成果。"ISTA的约翰-丹兹尔（JohannDanzl）说："我们的方法是组建一个充满活力的科学家小组，他们拥有独特的跨学科综合专长，共同致力于填补脑组织分析领域的技术空白。重建活体脑组织的管道。通过优化的激光聚焦采集显微镜图像--图像处理（DL）--分割（DL）--三维视觉分析。图片来源：JohannDanzl跨越障碍以前可以通过电子显微镜重建脑组织。这种方法根据样本与电子的相互作用对样本进行成像。尽管电子显微镜能捕捉几纳米（百万分之一毫米）分辨率的图像，但它要求样本固定在一种生物状态，需要对样本进行物理切片才能获得三维信息。因此，无法获得动态信息。另一种以前已知的技术是光学显微镜，它可以通过"光学"而不是物理切片来观察活体系统和记录完整的组织体积。然而，由于光波产生图像的特性，光显微镜的分辨率受到严重影响。其最佳分辨率为几百纳米，过于粗糙，无法捕捉脑组织中重要的细胞细节。利用超分辨率光学显微镜，科学家们可以打破这一分辨率障碍。这一领域的最新研究成果被称为"超分辨率阴影成像"（SUSHI，Super-resolutionShadowImaging），它表明，在细胞周围的空间中涂抹染料分子，并应用获得诺贝尔奖的超分辨率技术STED（受激辐射损耗）显微镜，就能显示出所有细胞结构的超分辨率"阴影"，从而将它们在组织中可视化。LIONESS可以对样本进行成像和重建，从而阐明活体脑组织中的许多动态结构和功能。资料来源：朱莉娅-柳奇克（JuliaLyudchikISTA）尽管如此，要想通过提高分辨率来对整个体积的脑组织进行成像，从而与脑组织复杂的三维结构相匹配，这一直是不可能的。这是因为在提高分辨率的同时，还需要对样本进行高负荷的成像光照，这可能会损坏或"损坏"微妙的活体组织。这就是LIONESS的优势所在，根据作者的说法，LIONESS是在"快速、温和"的成像条件下开发的，因此能保持样本的活力。该技术在提供各向同性超分辨率的同时--即在所有三个空间维度上都同样出色--还能以三维纳米级分辨率的细节观察组织的细胞成分。在成像步骤中，LIONESS从样本中收集的信息越少越好。随后进行第一个深度学习步骤，在称为"图像复原"的过程中填充有关脑组织结构的额外信息。通过这种创新方式，它可以实现约130纳米的分辨率，同时又足够温和，可以对活脑组织进行实时成像。这些步骤共同实现了深度学习的第二步，这一次是让极其复杂的成像数据变得有意义，并以自动化的方式识别神经元结构。ISTA科学家约翰-丹兹尔（JohannDanzl）在奥地利科技研究所的实验室中。图片来源：NadinePoncioniISTA定位Danzl说："跨学科的方法使我们能够打破解析力和活体系统光照的相互交织限制，使复杂的三维数据变得有意义，并将组织的细胞结构与分子和功能测量结合起来。"在虚拟重建方面，Danzl和Velicky与视觉计算专家合作：ISTA的Bickel小组和哈佛大学HanspeterPfister领导的小组，他们在自动分割（自动识别组织中的细胞结构的过程）和可视化方面贡献了自己的专业知识，ISTA的图像分析科学家ChristophSommer也提供了进一步的支持。在复杂的标记策略方面，来自爱丁堡、柏林和国际科学与技术机构的神经科学家和化学家也做出了贡献。因此，在同一活体神经元回路中进行功能测量（即读出细胞结构和生物信号活动）成为可能。这项工作是通过与ISTA的Jonas小组合作，对进入细胞的钙离子通量进行成像并测量细胞电活动来完成的。小组提供了人脑有机体，这种有机体通常被昵称为迷你大脑，可以模拟人脑的发育过程。作者强调，所有这一切都得益于ISTA顶尖科学服务部门的专业支持。大脑的结构和活动是高度动态的；其结构随着大脑执行和学习新任务而不断演变。大脑的这一特性通常被称为"可塑性"。因此，观察大脑组织结构的变化对于揭开其可塑性背后的秘密至关重要。国际科学与技术协会开发的新工具通过揭示亚细胞结构并捕捉这些结构如何随时间发生变化，显示出了解脑组织以及其他潜在器官功能结构的潜力。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382361.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382361.htm

科学家开发新的量子密钥分发系统 带来前所未有的传输速度

科学家开发新的量子密钥分发系统带来前所未有的传输速度研究人员开发了一种基于硅光子学的量子密钥分配（QKD）系统，可以以前所未有的速度传输安全密钥。QKD发射器（如图）将一个光子和电子集成电路与一个外部二极管激光器结合起来。资料来源：RebeckaSax，日内瓦大学与目前依靠计算复杂性来保证安全的通信协议不同，QKD的安全性是建立在物理学原理之上的。"研究小组成员、瑞士日内瓦大学的RebeckaSax说："QKD技术的一个关键目标是能够简单地将其整合到现实世界的通信网络中。实现这一目标的一个重要和必要的步骤是使用集成光子学，它允许使用制造硅计算机芯片的同样的半导体技术来制造光学系统。"所示的基于二氧化硅的QKD接收器由一个光子集成电路和两个外部单光子探测器组成。在Optica出版集团的《光子学研究》杂志上，由日内瓦大学的HugoZbinden领导的研究人员描述了他们新的QKD系统，其中除了激光器和探测器之外所有的部件都集成在芯片上。这带来了许多优势，如紧凑性、低成本和易于大规模生产。"尽管QKD可以为银行、卫生和国防等敏感应用提供安全保障，但它还不是一项广泛的技术，"萨克斯说。"这项工作证明了技术的成熟性，并有助于解决围绕通过光学集成电路实现它的技术问题，这将允许在网络和其他应用中进行整合。"建立一个更快的基于芯片的系统在以前的工作中，研究人员开发了一个三态时空的QKD协议，用基于标准光纤的组件进行，以创纪录的高速度实现QKD传输。"我们在这项新工作中的目标是使用集成光子学实现同样的协议，"Sax说。"集成光子系统的紧凑性、稳健性和易操作性--在实施时需要验证的部件或在网络中需要排除的故障较少--提高了QKD作为安全通信技术的地位。"QKD系统使用一个发射器来发送编码的光子，一个接收器来检测它们。在这项新工作中，日内瓦大学的研究人员与德国柏林的硅光子学公司SicoyaGmbH和日内瓦的量子网络安全公司IDQuantique合作，开发了一种硅光子学发射器，它将光子集成电路与外部二极管激光器结合起来。QKD接收器由二氧化硅制成，由一个光子集成电路和两个外部单光子探测器组成。意大利米兰CNR光子学和纳米技术研究所的RobertoOsellame小组使用飞秒激光微加工来制造接收器。Sax说："对于发射器，使用带有光子和电子集成电路的外部激光器使其有可能以高达2.5GHz的创纪录速度准确地产生和编码光子。对于接收器，一个低损耗和偏振无关的光子集成电路和一组外部检测器允许对传输的光子进行无源和简单的检测。用一根标准的单模光纤连接这两个部件，就能高速生产密匙。"低损耗、高速传输在彻底描述了集成发射器和接收器的特性后，研究人员用它来进行秘密密钥交换，使用不同的模拟光纤距离，并使用150公里长的单模光纤和单光子雪崩光电二极管，这些都非常适合于实际的实施。他们还使用单光子超导纳米线探测器进行了实验，这使得量子比特错误率低至0.8%。该接收器不仅具有偏振独立的特点，这在使用集成光子技术时很复杂，而且还呈现出极低的损耗，约为3dB。SAX说："在秘密密钥率的产生和量子比特错误率方面，这些新的实验产生的结果与以前使用基于光纤的组件进行的实验相似。然而，QKD系统比以前的实验设置要简单和实用得多，从而显示了用集成电路使用这种协议的可行性。"研究人员现在正在努力将系统部件安置在一个简单的机架外壳中，这将使QKD在网络系统中得以实施。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1362469.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1362469.htm