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大脑神经网络3D扫描成像,高精度运动台助力提升精度与效率
# 2026-06-03

“地心科技ART系列高速高精度运动平台,因为其出色的速度稳定性,最小步进能力,在生物组织3D扫描成像设备,特别是大脑神经网络扫描成像应用中被广泛使用。”


01 大脑神经网络研究


大脑是生命进化的顶峰,破译大脑工作机理是人类的终极梦想,但迄今为止,科学家们还未能揭示出记忆、思维和意识这些大脑功能的基本机制。由于对大脑结构和功能的了解有限,也导致治疗如阿尔茨海默病和帕金森病等脑疾病的有效药物和方法的缺乏。


哺乳动物的大脑是一个高度复杂的网络,由数百万到数十亿个密集的相互连接的神经元组成,同时神经元的胞体、小动脉和小静脉的直径仅为几十微米,毛细血管的直径仅为几微米,而树突和轴突纤维的直径则在1微米及以下。

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在过去的研究中,科研人员根据细胞形态、电生理特征、神经元投射,以及表达分子的组合和转录组,将大脑神经细胞分成不同的类型。这些不同种类的神经细胞,分布在大脑的不同皮层中,执行不同的功能。


而更为直观有效的研究方法,在介观尺度绘制全脑范围神经环路、血管网络的三维精细结构,这样可以为理解大脑提供重要的结构信息,是阐明脑功能运行机理的一个重要前提。绘制出一张完整的大脑细胞分布图,将推动神经科学的研究迈向一个全新的台阶,因此成为各国神经科学家们争夺的主战场之一。

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02 神经网络3D成像技术


华中科技大学骆清铭教授团队发明的显微光学切片断层成像(Micro-Optical sectioning tomography,MOST)系统是一种基于机械切削的全脑成像系统。该系统利用成像系统对样本表面进行成像,利用切片机对塑性包埋的样本进行表面组织切除,继续对新的表面成像,最终实现了轴向分辨率为1um的完整鼠脑数据集的采集。


针对荧光标记样本,骆教授团队发展了一系列的荧光显微镜光学切片断层成像系统(fMOST),包括单光子fMOST、双光子fMOST,以及基于结构光照明的全脑精准成像系统(brain-wide positioning system,BPS)。其中,单光子fMOST和双光子fMOST系统采用点扫描的成像方式,成像时间长;BPS 系统采用结构光照明模式,成像速度快,切削和成像分离,成像使用汞灯作为光源,因此,可以在全脑实现快速高分辨成像,不仅能满足神经环路水平的成像,还能满足神经元精细形态的获取。

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以全脑成像中突起水平成像为例,以在大体积、甚至全脑范围获取长程或局部神经环路高分辨结构信息为目的,需要建立具有亚微米分辨率的结构光照明荧光显微成像系统。这种成像技术不仅可以获取细小如长程轴突、树突的信息,还能同时提供细胞构筑的空间定位信息。此外,这种成像系统还可以在全脑范围获取血管网络信息。典型的全脑成像BMP设备如下所示。

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高精度3轴精密驱动控制技术是全脑成像设备的关键技术点之一。以微米分辨率在全脑尺度获取和追踪长程的神经回路是一大挑战,地心科技的纳米平台和大负载高刚度升降台与这类应用完美满足此类应用中的多种高端要求,包括:

  • 亚微米级的运动步长

  • 纳米级的在位稳定性

  • 横向刀片切削的平台剪切刚度

  • 几天甚至数周的长期无故障工作周期(MTBF)

  • 运动与图像采集的同步触发等...


03 “地心科技”产品


地心科技产品在医疗设备行业,特别是神经网络扫描成像技术领域有多年的的应用经验。多种产品的组合搭配可以满足不同用户的需求。长时间的应用中,不仅积累了大量的应用经验,同时收获了良好的口碑。


ART130系列直线平台

 •作为小步距步进轴,交叉滚柱轴承平台具有出众的运动和整定时间

 •间隔5nm高密度按照位置触发相机拍照可保证图像的高分辨率且不失真

 •灵活的行程配置选项为不同的样品尺寸提供了丰富的产品选择

 •纳米级在位稳定性可实现亚微米探针密度精确定位和打印叠层分辨率

 •平台截止频率大于100HZ,可实现快速运动和整定

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ART180系列直线平台

 •作为扫描轴,间隔5nm高密度基于位置触发相机拍照可保证图像的高分辨率且不失真

 •交叉滚柱轴承可保证扫描轴极高的速度稳定性

 •200mm以上行程保证图像采集完整性与连续性

 •灵活的行程配置可适应从鼠脑、猴脑到人脑等不同大小样品的检测

 •作为下轴,有较强的承载能力和剪切刚度

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SMH165V系列升降台

 •作为升降轴,最小步进可小于20nm,保证较小的断层间隔

 •交叉滚柱轴承保证了大负载和较高的Z向直线度

 •结构稳固,可承受较大刀片横向切削力

 •从20mm到95mm可选行程配置,以适应从鼠脑、猴脑到人脑等不同大小样品的检测需求

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04 测试效果


以ART130系列为例,ART130系列平台虽然结构紧凑但是有较强的驱动能力,最大速度可达500mm/s,空载加速度可达1g。配置线性放大器,带隔振实验室环境下,ART130系列平台的在位稳定性3nm和最小步进量可以小于5nm,可以根据客户的应用提供灵活的定制方案。

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