加州大学圣地亚哥分校的研究人员获得100万美元用于制造首创显微镜

美国国家科学基金会（National Science Foundation）已向加州大学圣地亚哥分校（UC San Diego）的一个跨学科研究团队拨款100万美元，用于建造首创的超分辨率显微镜，为生物医学科学的进步奠定基础。使用大学定制的材料，该机器有可能达到当前最先进水平的10倍分辨率和100倍以上的测量速度。

“我们认为这项技术将真正具有变革性，”加州大学圣地亚哥分校高通研究所（QI）的首席研究员Zhaowei Liu说，他是雅各布斯工程学院电气与计算机工程系的教授。“这个奖项是为生物医学和工程研究和教育建立关键工具的一个很好的起点。

“超材料结构照明显微镜”（MESIM）将利用一种称为“受激拉曼散射”的成像技术来可视化分子键等化学特征，而无需生物显微镜中通常使用的荧光标记。虽然现有的显微镜使用这种技术，但没有一台达到MESIM所承诺的分辨率和测量速度水平。

MESIM的先进能力还将为疾病工具和治疗的进展奠定基础;为本科生和研究生创造教育和培训机会;并鼓励加州大学圣地亚哥分校内外的合作。MESIM将设在加州大学圣地亚哥分校高通研究所的阿特金森大厅。

加州大学圣地亚哥分校的多位知名研究人员将结合显微镜、成像、机器学习以及工程和生物科学方面的专业知识，使MESIM成为可能。多学科团队的联合首席研究员贡献了全校人才，包括来自QI、雅各布斯工程学院、斯克里普斯海洋研究所和医学院的专家。

仔细观察基本部分

在受激拉曼散射成像中，显微镜使用激光产生的光来撞击和照亮分子之间的键。该技术使科学家能够对分子进行成像，否则如果没有荧光标记物的帮助，这些分子可能很难看到，荧光标记物会附着在目标分子上。如果这些标签大于其目标，它们可能会扭曲科学家希望记录的行为。

借助MESIM，研究人员希望在不受干扰的情况下以高速、高分辨率的细节研究分子行为。该技术为研究基本问题提供了机会，例如水的结构，水在通过人体运动调节生物过程中的作用，以及其流动性与细胞代谢，微生物学，神经科学，衰老和疾病的关系。

“MESIM技术将为我们在发生这些迁移率变化的细胞领域提供新的见解，”QI教职员工，国家显微镜和成像研究中心（NCMIR）主任，医学院神经科学系教授Mark Ellisman说。“我们将要建立的东西是高度互补的，并可能推动我们在标记化学和多尺度、多模态相关显微镜方法方面取得的新进展。

NCMIR是美国国立卫生研究院（NIH）脑计划（NIH）脑计划（BRAIN Initiative）的一个大量订阅的国家技术集成和传播中心，研究人员将利用MESIM的先进成像能力来研究神经科学中的紧迫问题。MESIM为研究人员提供了一个探索脑细胞多样性和创建新大脑地图的新平台，实现了NIH和美国国家科学基金会的投资。

对愿景的支持

MESIM的核心是一种定制的“超材料”，这是一种微小的、由人类设计的复合材料，经过精确的图案化，可以将光集中到更聚焦的光束中。这项新颖的创新还增强了显微镜检测光子散射的能力，称为“拉曼散射”，当光线照射到目标时就会发生。

通过这一新的发展，研究人员可以将这些光子的散射增加几个数量级，从而有可能更深入地了解分子行为。

“这种新型显微镜将显着提高生物体代谢动力学的受激拉曼散射成像的时空分辨率，特别是水分子的酶促和非酶促掺入，可以使用这种MESIM进行非侵入性可视化。对于校内和校外的合作者来说，这将是一个独特的资源，“联合首席研究员，加州大学圣地亚哥分校Shu Chien-Gene Lay生物工程系助理教授，电气与计算机工程系的教师附属Lingyan Shi说。

“这种具有亚衍射极限分辨率的新型拉曼成像模式将能够原位监测和理解各种生物医学应用所必需的生化反应，”QI教职员工兼电气与计算机工程系教授Shaya Fainman补充道。

研究人员还将开发一种新的计算机算法和机器学习软件包，以帮助机器实时重建图像。

彼得·格斯托夫特（Peter Gerstoft）是电气与计算机工程系的兼职教授，也是斯克里普斯海洋学研究所的杰出数据科学家，也是该项目的联合首席研究员。MESIM资助是通过美国国家科学基金会的重大研究仪器计划授予的。