昆虫机器混合系统研究进展

昆虫机器混合系统是以昆虫为载体,运动性能优异的新型昆虫机器人.本文首先提出昆虫机器混合系统的定义,分析其主要特点;进而结合蜜蜂机器人的研制,评述该领域的主要研究成果.在此基础上,概括了昆虫机器混合系统的研究框架,从神经生理机制、行为刺激方法、电极组织接口、刺激控制微系统和无线数据传输等几个方面归纳其主要研究挑战,分析其发展趋势,并展望了实现生物智能和机器智能融合的昆虫机器混合系统.     

重金属盐不可逆沉淀蛋白的本质及其验证实验的改良

在重金属盐不可逆沉淀蛋白质的验证实验中,硫酸铜常被推荐用作沉淀剂,但普遍实验现象证明此沉淀并非不可逆,因而导致理论与实验结果的矛盾。对重金属沉淀蛋白质的现象从机理上进行了分析和解释,并提出实验的改良方案为：更换沉淀剂为汞离子。     

高频电刺激改变神经元锋电位的波形

为了正确检测和研究高频电刺激(high frequencystimulation,HFS)期间神经元的动作电位发放活动,进而深入揭示深部脑刺激治疗神经系统疾病的机制,本课题研究HFS期间锋电位波形的变化.在麻醉大鼠海马CA1区的输入神经通路Schaffer侧支上,施加1~2 min时长的100或者200 Hz顺向高频刺激(orthodromic-HFS,O-HFS),利用微电极阵列采集刺激下游神经元的多通道锋电位信号,并获得由O-HFS经过单突触传导激活的中间神经元的单元锋电位波形及其特征参数.结果表明,O-HFS使得锋电位的幅值明显减小而半高宽明显增加,以基线记录为基准计算百分比值,O-HFS期间锋电位的降支幅值和升支幅值分别可减小20%和40%左右,半高宽则增加10%以上.并且,在大量神经元同时产生动作电位期间,或者在比200 Hz具有更大兴奋作用的100 Hz刺激期间,锋电位波形的改变更多,幅值的减小可达50%,宽度的增加可达20%.可以推测,高频电刺激对于神经元的兴奋作用可能升高细胞膜电位,从而改变细胞膜离子通道的活动特性,导致动作电位波形的改变.这些结果支持深部脑刺激具有兴奋性调节作用的假说,对于正确分析高频电刺激期间神经元锋电位活动具有指导意义,也为进一步研究深部脑刺激(DBS)治疗脑神经系统疾病的机制提供了重要线索.     

细胞表面电荷的光镊测量方法及应用研究

分析了细胞表面电荷测量的意义、方法和现状,提出采用光镊技术测量细胞表面电荷的方法,介绍了实现该方法的系统构成和检测原理。在电场力的作用下,处于悬浮液中的带电细胞产生电泳。在外加电场力为零时利用激光的陷阱力捕获该细胞,然后施加并逐渐加大外加电场力,直到细胞刚好逃脱光阱力的束缚时的瞬间光阱力,理论上就是细胞所带电荷在电场中产生的库仑力与粘滞力之和。     

新型深部脑刺激模式的开发及研究进展

深部脑刺激(deep brain stimulation,DBS)已成为治疗帕金森病等运动障碍疾病的常规方法之一,并且在许多其他神经和精神疾病的治疗中也具有良好的应用前景.但是,目前常规DBS采用单通道恒定脉冲间隔的高频刺激(high frequency stimulation,HFS),刺激模式缺少多样化,限制了DBS在临床上的推广应用.为了开发更多DBS刺激模式,用于改善疗效、拓展应用范围、并节省刺激器的电能,近年来研究人员基于去同步调控机制,在脉冲序列的时间模式和空间排布两方面开发了DBS新模式.主要包括:变频序列(包括规则变频和随机变频)、不同空间位点上的多通道异步刺激以及变频和多通道两者的结合.这些新刺激模式能够提高DBS的临床疗效、降低刺激能耗,在帕金森病以及癫痫、强迫症和微意识障碍等其他脑疾病的治疗中都展现了良好的应用前景.更值得关注的是,多通道异步刺激不仅在刺激期间具有更好的即时疗效,而且刺激结束后还能长时间保持疗效,具有刺激后效应.这个特性突破了常规DBS主要为即时效应的局限性,展现了DBS新前景.本文在概述常规DBS模式及其去同步调控机制的基础上,综述变频脉冲刺激和多通道刺激等新型DBS模式,可以为促进DBS的发展提供有价值的信息.     

大鼠海马神经元对于高频脉冲刺激的暂态响应

闭环刺激是深部脑刺激(deep brain stimulation,DBS)的重要发展方向之一,有望用于治疗多种脑神经系统疾病.与常规开环的长时间持续刺激不同,闭环刺激通常采用短促的高频脉冲序列.而神经元对于高频刺激的响应存在暂态过程,在初期的短时间内会发生很大变化,从而影响闭环刺激的作用.为了研究这种暂态过程,在大鼠海马CA1区传出轴突纤维(alveus)上施加不同频率的恒频以及随机变频的逆向高频刺激(antidromic high-frequency stimulation,A-HFS),并以逆向诱发的群峰电位(antidromically-evoked population spike,APS)的幅值作为指标来考察神经元群体的响应.研究结果表明,100、133和200 Hz的恒频A-HFS初期,APS迅速衰减,脉冲频率越高,APS衰减越快.平均不到1 s时间内APS的幅值就会下降一半以上,100 Hz时的平均半衰期为～0.96 s,频率增加1倍至200 Hz时,平均半衰期缩短至～0.21 s.使用100～200 Hz范围内实时微调脉冲间隔的随机变频刺激,则可以显著延缓神经元响应的衰减速度,延长刺激作用的维持时间.这些结果可以为短促闭环刺激等DBS新模式的开发提供依据.     

自噬对葡萄糖转运蛋白4动力学影响分析

葡萄糖转运蛋白4(GLUT4)与胰岛素抵抗有着紧密联系,抑制自噬能减缓胰岛素抵抗.为了探讨自噬对胰岛素抵抗方面的作用,现以GLUT4囊泡为动力学模型,通过全内反射荧光显微镜实时观测3T3-L1成熟脂肪细胞中GLUT4囊泡的运动,并采用高斯拟合及相应的搜索算法,从TIRFM时间序列中提取运动轨迹、速度等信息进行统计分析.结果显示:自噬对GLUT4的运动具有一定的影响.抑制自噬后,GLUT4囊泡运动的胰岛素响应程度增强,长距离运动囊泡增多,平均运动速度加快.     

两种脱矿体系制备人工龋损的病理学比较

目的评价两种不同脱矿体系在人牙釉质与牛牙釉质形成人工龋样损害的情况,确定模拟早期龋实验研究的脱矿系统。方法两种脱矿体系：部分饱和酸缓冲溶液和酸性凝胶溶液,分别在人牙釉质与牛牙釉质制备人工早期釉质龋损,采用偏振光显微镜和扫描电子显微镜观察实验人工龋的组织病理学变化。结果部分饱和的酸缓冲体系制备的人工龋损都具有完整的表层和表层下脱矿,牛牙釉质除了脱矿深度大于人牙釉质外,其它病理学特点都类似于人牙釉质,与早期自然龋损相似。而凝胶液脱矿体系形成的人工龋损不管是人牙还是牛牙都没有明显的表层结构,实验牙表面多出现被腐蚀或溶解。结论部分饱和的酸缓冲液脱矿系统形成的人工龋损病理学变化更接近于自然龋;与人牙具有相似化学组成的牛牙很适合代替人牙来检测脱矿和再矿化的效果。     

细胞打印技术及应用

细胞打印技术是一种在体外构造具有生物活性的三维多细胞体系的先进技术。近年来,有关细胞打印技术的研究引起广泛的关注,其原因在于该领域具有明显的学科交叉与渗透融合的特点,它处于生命科学与快速成型技术、生物制造技术、生物科学和材料科学的交汇点。更加值得关注的是它为组织工程学突破二维研究的局限性,在三维尺度上精确控制与人体组织或器官相似的三维构造体方面的研究提供了一种新的思路。基于这一技术不仅在三维组织工程,还对细胞生物学、高通量药物筛选及细胞传感器等方面的前沿问题均有广阔的研究应用前景,介绍了近年来开发用于细胞打印的技术及其潜在的应用。     

基于分子动力学模拟的高γ-环糊精专一性环糊精糖基转移酶理性改造

【背景】环糊精糖基转移酶的分子动力学模拟较传统基因改造而言能有效提高改造效率,减少盲目性。【目的】探究环糊精糖基转移酶的催化专一性机理,为获得产γ-环糊精专一性更高的环糊精糖基转移酶提供高效突变菌株方法。【方法】通过分子对接和分子动力学模拟,获得3种产物类型CGTase与底物的对接模拟结构,并通过定点突变实验进行验证。【结果】分子动力学模拟结果显示α-和β-CGTase与十糖链在酶蛋白S1区域呈现闭合的形态,而γ-CGTase和十糖链在S1区域呈现更易于生成γ-环糊精的张开形态;3种CGTase与十糖链在相同位置存在氢键的氨基酸共有17个相对应位点,其中14个位点的氨基酸种类一致,不一致的3个氨基酸对应α-CGTase位点分别为Y89、D234和Y262。本研究对Y262位点进行定点突变和产物专一性实验,结果显示经过分子动力学预测的Y262L有助于提高产γ-CD专一性,从野生酶的13.7%提高到39.9%,γ-环糊精产物比例提高了3倍。【结论】分子动力学模拟结果对于指导环糊精糖基转移酶的专一性内在机理具有一定的正向指导意义。