Inside Look
来自各个学科的ENG澳门威尼斯人注册网站研究人员正在联合起来，制作神经元和其他细胞如何工作的图像和见解
帕特里克·l·肯尼迪
一个电气工程师，一个生物医学工程师和一个物理学家走进一个实验室。等等，一名电气工程师，两名生物医学工程师，一名材料科学工程师和一名物理学家。到目前为止，只有两个人——米歇尔·桑德（ECE， BME， MSE）和艾莉森·斯格罗（BME， CAS物理）。
紧随其后的是来自光子学中心、生物设计中心，甚至澳大利亚斯威本大学的同事。这个团队已经组建了一个定制的显微镜，可以在自然环境中对细胞膜成像，而不需要像许多其他方法那样广泛地准备（并且经常妥协）样品。
“我们有光学、电子工程、细胞工程方面的专家，”桑德说。“该项目跨越学科，同时跨越大洲。对于参与其中的博士生来说，这是非常丰富的，因为他们每个人都学到了很多其他领域的知识。”
波士顿大学工程学院就是这样做的。它的部门——生物医学工程、电气与计算机工程、机械工程、材料科学与工程和系统工程——不是孤立存在的。在一个特别富有成果的领域——成像——整个学院的澳门威尼斯人注册网站研究人员汇集了生物医学、光学和数据科学方面的专业知识，以了解我们身体内部发生了什么。无论是成像细胞，点亮神经元群，还是测量大脑区域的血流量，它们都在促进我们对内部运作的理解。
David Boas教授（BME， ECE）在描述他自己的可穿戴式脑成像帽时，他可以描述任何一个项目，“波士顿大学在光子学、神经科学和数据科学方面真的很强大，这个项目利用了这三个方面。”
此外，鲍亚士说，他和同事正在开发的设备将加深我们对人类互动方式的了解。“社会就是社会互动，”他说。“因此，如果我们能更好地了解大脑在现实生活中的功能，我们就有希望了解如何让社会变得更美好。”
学会忘记
午夜家附近的小路上散落着几颗生锈的钉子。这是一只聪明的黑色拉布拉多犬，她知道这条路很危险，所以她避开了。
然后，道路被清理了。尽管如此，午夜还是花了六个月的时间才让自己踏上了这条路。“我无法说服她，”狗的主人Bobak Nazer副教授（ECE， SE）说。“她刚想起来，‘不安全’。”
在某种程度上，退伍军人和其他患有创伤后应激障碍（PTSD）的人也在与同样的问题作斗争：他们很难将特定的环境或声音（比如，广阔的空间或烟花）与他们经历过的某些危险（比如，狙击枪）区分开来。
Nazer是几位合作澳门威尼斯人注册网站研究海马体的ENG澳门威尼斯人注册网站研究人员之一，海马体是大脑中对动物和人类的学习和记忆都至关重要的区域。他们的工作不仅对创伤后应激障碍有影响，而且对痴呆症和阿尔茨海默病也有影响，这两种疾病都与海马萎缩有关。
近年来，薛涵副教授（BME）作为光遗传学和光学成像的先驱而闻名。利用光脉冲来控制和观察不同神经元的行为，她发现了新型的大脑信号。
“我们同时对数百个神经元成像，”韩说，“这实际上在数据分析方面造成了一个巨大的问题。”
这个问题让韩找到了数据科学和高维统计专家纳泽尔。
“对我来说，”纳泽尔说，“处理信息和数据处理时，有趣的是尝试将数学问题根植于某种有用的工程场景中。”
与Venkatesh Saligrama教授（ECE， SE）一起，两人获得了院长催化剂奖（Dean’s Catalyst Award）和两项美国国家科学基金会（National Science Foundation）的资助，旨在利用生物医学和机器学习方面的进展来推进对大脑工作方式的了解。
今年，Han和Nazer以及ENG的同事发表了一项澳门威尼斯人注册网站研究，记录了老鼠学习和放弃一种行为。首先，老鼠听到一种声音，紧接着眼睛里就有一股烦人的气流。利用一种叫做钙成像的技术，澳门威尼斯人注册网站研究人员确定了海马体中参与学习将音调与烟雾联系起来的神经元群。
经过几天的训练，老鼠们多花了一天时间听声音，然后什么也不听——没有更多的喘息。一开始，老鼠们还在眨眼睛，让自己做好呼吸的准备。但是，他们很快就习惯了这种没有特别意义的语气。“他们学会了忘记，”韩说。“这涉及到不同的细胞群。”
这项澳门威尼斯人注册网站研究首次可视化了一个大规模的神经网络，提供了详细的、实时的证据，表明当大脑学习某些东西时，两种不同的神经元群会被激活，然后学会忽略它。对这一过程如何运作的更深入的了解可能最终会使患有创伤后应激障碍和焦虑症的患者，以及那些患有与记忆丧失和认知能力下降有关的疾病的患者受益。
“我永远不能说，‘我个人帮助了这位阿尔茨海默病患者，’”纳泽尔说，“但我觉得我正在帮助薛的实验室开发工具，有朝一日会产生这种影响。”
“我最喜欢我们在实验室所做的神经科学的一点是，我们正在使用新技术和新方法收集数据，这意味着我们需要新的方法从数据中提取信息，”BME博士生丽贝卡·芒特（Rebecca Mount）说，她是这篇论文的主要作者。“这对不同类型的科学之间的合作至关重要。我们可以与数据科学家和数学家合作。所有人一起工作真的很有趣，我们所有人都是团队的一员是绝对必要的。”
在实验室外进行成像
20多年来，鲍亚士一直是可穿戴脑成像系统的先驱。他是神经光子学中心（Neurophotonics Center）的主任，这是美国首个神经光子学中心。该中心汇集了跨学科的澳门威尼斯人注册网站研究人员——从心理学和生物学到健康和康复科学，再到电子和计算机工程和机械工程——来澳门威尼斯人注册网站研究大脑的运作。
在美国国立卫生澳门威尼斯人注册网站研究院590万美元的资助下，博阿斯和他的团队正在开发一种便携式、可穿戴的脑成像帽。该设备类似于镶有发光光源和探测器的泳帽，使用功能性近红外光谱（fNIRS）来跟踪大脑中的血液流动，从而了解在不同活动中哪些神经元被激活。
“当你用手电筒照你的手时，你会看到红色，”博阿斯说。“这是因为光被血红蛋白吸收了。光以完全相同的方式散射穿过头皮和头骨。”
鲍亚士解释说，光会散射，也会被吸收。吸收的概率比散射的概率低得多，如果使用的光是近红外的，吸收的概率就更低。“因此，光在被吸收之前会散射数百次，”博阿斯说。“这意味着光线可以通过头皮和头骨一直散射到大脑，然后返回大脑，从而向我们报告大脑该部分的血红蛋白含量。”
博阿斯将fNIRS读数与脑电图（EEG）信号结合起来，以获得澳门威尼斯人注册大脑的最丰富的数据，以及它是如何每时每刻变化的。
鲍亚士指出，波士顿大学的许多教员将使用该系统进行自己的澳门威尼斯人注册网站研究。例如，萨金特学院（Sargent College）的斯瓦蒂·基兰（Swathi Kiran）通常使用功能性磁共振成像（fMRI）来评估中风幸存者重新学习说话的治疗效果。这是测量大脑血流量的标准方法，但它必须在受试者安静地躺在一个大而嘈杂的机器里时进行。
博阿斯说：“她对使用可穿戴系统感到兴奋，因为她将能够在治疗方案中测量大脑活动，并在现实世界的日常环境中看到对大脑的影响。”
在艺术与科学学院（College of Arts & Sciences），大卫·萨默斯（David Somers）将使用该系统澳门威尼斯人注册网站研究走路时看手机的人的大脑中注意力和感知是如何工作的。
助理教授劳拉·刘易斯（BME）将在她的睡眠澳门威尼斯人注册网站研究中使用它。博阿斯说：“她一直在用脑电图和功能磁共振成像来观察睡眠，但有一件事她没能做到，那就是让她的澳门威尼斯人注册网站研究对象在功能磁共振成像仪中进入快速眼动睡眠。”“所以我们开始和她一起修改技术，设计一种不同的帽子，让受试者戴着更舒服，这样他们就可以睡个安稳觉了。”
鲍亚士说：“fMRI让我们了解了很多澳门威尼斯人注册人类大脑功能的知识，但它并没有让我们了解人类大脑的社会互动，而真正让我们成为人类的是社会互动。”我们正在开发的设备将使我们更好地了解是什么让我们成为人类。”
不仅仅是一张漂亮的照片
并非所有的ENG成像先驱都澳门威尼斯人注册网站研究大脑本身。助理教授田磊（ECE）与波士顿大学的几位合作者合作，汇集了机器学习，光学和生物医学方面的专业知识，开发了一种新型显微镜技术，该技术可以在深度学习的帮助下产生更丰富的细胞数据集。
“最终的目标是了解细胞的功能和行为，”领导计算成像系统实验室的田说。“这是生物学的基石。”
为了了解细胞内部发生了什么，澳门威尼斯人注册网站研究人员通常用荧光染料或染料标记细胞，以识别亚细胞结构。但是，细胞制备是繁琐的，而且大多数方法只能让澳门威尼斯人注册网站研究人员一次最多看到三种颜色，限制了他们对细胞成分的了解。
Tian和他的同事使用数字标记，可以应用六个虚拟荧光标记，从而同时观察细胞的六个方面，如DNA，成分和生命周期的阶段。
该小组是第一个在细胞分析（细胞分析）中使用反射显微镜的小组：他们定制的显微镜捕获反向散射信号，提供“检测纳米级结构变化的灵敏度”，田和合著者写道。
他们是第一个应用深度学习来分析反射图像的人。“一旦你有了这些美丽的虚拟图像，对于未经训练的眼睛来说，很难评估它们是仅仅美丽还是实际上是生物学上正确的，”田说。“我们证明了这种新的数据驱动成像细胞术技术是相当准确的。”
重要的是，田实验室的方法可以非常准确地获取一些参数，包括癌症和其他疾病的标志物，这些标志物用目前的方法很难检测到。
田教授在2021年获得了ENG的早期职业卓越澳门威尼斯人注册网站研究奖，他说，ENG的合作文化对这个项目至关重要。
“这是多学科的，”田说他的团队的工作。他的合作者不仅包括工程系的ECE和BME系的澳门威尼斯人注册网站研究人员，还包括文理学院的生物系、哲学系、神经科学系和医学院的澳门威尼斯人注册网站研究人员。他补充说：“我认为自己是生物医学科学和生物工程领域的仪器制造商和数据科学开发人员。”“深度学习是一个很大的领域，但你需要领域的专业知识——在这种情况下，是生物医学显微镜——才能准确地解释数据。这是我的实验室的主要贡献。”
跨界观察
就像田小组的工作一样，Sander， Sgro和他们的同事们定制的显微镜试图避免用染料标记细胞的缺点，这可能会影响细胞的健康和行为。
作为替代方案，Sander, Sgro, Shyamsunder Erramilli （CAS Physics， MSE， BME）和澳大利亚生物医学工程师Sally McArthur展示了一种他们称之为振动红外光热振幅和相位信号（VIPPS）成像的新技术的能力。从本质上讲，他们的方法可以检测细胞内部和周围的化学成分以及热障——例如，细胞膜和细胞核——作为一种方法，可以在模拟小鼠或人类细胞的组织模型中获得细胞及其亚细胞结构的更清晰图像。
麦克阿瑟通过空军科学澳门威尼斯人注册网站研究办公室（AFOSR）青年澳门威尼斯人注册网站研究员计划奖和AFOSR生物物理学计划开始与桑德合作，他说：“我们已经证明，如果细胞在一个设计成复制我们组织结构的环境中生长——在这种情况下，是皮肤——那么我们就可以在那个环境中看到这些细胞。”“这真的很重要，因为它表明我们可以使用这种技术来观察细胞在自然环境中的情况，而不仅仅是当它们在实验室中被隔离并附着在塑料上时。”
Panagis Samolis（21届）是欧洲经济学院的博士生，曾在VIPPS项目上工作过。
“我个人从这些跨学科和国际合作中受益匪浅，”萨莫利斯说。“对于学生来说，这是一个独特而令人兴奋的机会，可以咨询多位专家，与其他学生密切合作，并向他们学习。此外，通过了解其他文化和教育体系，它可以拓宽你的视野。”
Samolis说，工程学澳门威尼斯人注册网站研究人员——无论他们是否从事成像工作——总是把大局放在心上。
“在我看来，一项技术的价值主要是通过其直接应用对促进社会和人类生活的影响来衡量的，”Samolis说。“因此，更好地了解社会需求可以帮助以有针对性和有益的方式指导新技术。总的来说，知识和资源的共享是科学进步的一个重要方面。”
本文最初发表于波士顿大学工程学院校友杂志《工程师》2021年秋季刊。