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出版者:Cold Spring Harbor Laboratory Press

作者:Rafael, Ed. Yuste

出品人:

页数:854

译者:

出版时间:2005

价格:USD 236.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780879696894

丛书系列:

图书标签:

• 神经科学
• 神经科学
• 发育生物学
• 医学影像
• 神经影像学
• 大脑发育
• 神经系统疾病
• 生物医学工程
• 神经元
• 细胞成像
• 神经可塑性

神经科学与发展成像：深度解析与前沿展望 （本书旨在提供对当前神经科学与发育生物学领域中成像技术及其应用的全面、深入的探讨，着重于从分子水平到系统水平的观测策略、技术创新及其在理解复杂脑功能与发育过程中的关键作用。） --- 第一部分：基础理论与成像原理的革新 第一章：跨尺度成像的需求与挑战 神经科学与发育生物学的核心挑战在于理解跨越多个数量级的时间和空间尺度上的动态过程。从突触间隙的分子构象变化到整个神经网络的宏观活动，单一的成像技术难以实现完全覆盖。本章将深入探讨当前领域对高分辨率、高灵敏度、高速度以及活体、长期监测能力的迫切需求，并剖析实现这些目标所面临的物理限制（如衍射极限、光毒性、组织深度穿透等）。我们将回顾经典显微镜技术（如荧光、共聚焦）的局限性，并以此为基础，引出下一代超分辨率技术的必要性。 第二章：突破衍射极限：超分辨率成像的基石 本章聚焦于超越艾比（Abbe）衍射极限的革命性技术。我们将详细阐述基于分子动力学的成像方法，如STED（受激发射损耗）、PALM/STORM（光激活/随机光学重构显微镜）的理论框架、实验设置及数据处理流程。重点讨论如何通过调控荧光团的激发和发射过程，实现对细胞结构和分子事件的纳米级定位精度。此外，还将涵盖新的宽场超分辨率技术（如SIM，结构光照明显微镜）在提高成像速度和减少光漂白方面的优势与应用场景。 第三章：三维与四维（时空）成像的深度探索 理解复杂的三维组织结构和随时间变化的动态过程是发育神经科学的关键。本章将聚焦于深度组织穿透成像技术。深入剖析多光子显微镜（Multiphoton Microscopy，MPM），特别是双光子和三光子激发在减少背景散射和光毒性方面的优势，以及其在活体动物大脑深层结构成像中的应用。同时，本书将详细介绍层析成像技术（如Lattice Light-Sheet Microscopy, LLSM）的原理，展示其在实现高速、低损伤的三维实时记录方面的突破，尤其是在胚胎发育和神经元活动追踪中的潜力。 第四章：分子探针与报告系统的设计与优化 成像技术的进步必须辅以新型分子工具的开发。本章专门讨论用于标记和报告神经系统特定事件的荧光探针。内容涵盖遗传编码的钙离子指示剂（如GCaMP系列）的设计原理、动力学特性优化，以及用于报告神经元活动、离子流、蛋白质合成和信号通路激活的特定探针。此外，本书还将探讨如何利用先进的化学方法（如点击化学）将新型荧光团偶联到生物分子上，以实现特定靶向和高对比度的成像。 --- 第二部分：在发育神经生物学中的应用 第五章：早期神经发生与迁移的实时监测 本部分将应用前述的先进成像技术，具体阐述在理解早期神经系统构建中的应用。重点关注如何利用LLSM和高对比度标记技术，追踪干细胞向神经祖细胞分化、神经元增殖的周期性事件。详细分析神经元群体在皮层、海马体等区域的迁移路径、导航机制（如通过化学引力或排斥信号）的成像证据。本章将强调，通过时间序列重建，可以精确定位迁移中断或异常的分子事件。 第六章：轴突生长、靶向与突触形成的可视化 轴突的精确导航是建立功能性回路的基础。本章将探讨如何使用多光子显微镜配合荧光示踪技术，追踪发育中动物体内长距离轴突的生长尖端行为。重点分析生长锥对环境信号（如架桥蛋白、粘附分子）的响应，并通过超分辨率显微镜揭示新的突触接触点形成时，突触前/后结构的快速组装过程。此外，还将涵盖使用光遗传学（Optogenetics）与成像技术结合，实时观察单个轴突在特定刺激下行为改变的实验设计。 第七章：神经环路的组装与功能整合 在结构发育完成后，环路的功能整合至关重要。本章讨论如何利用钙成像（Calcium Imaging）技术，大规模监测发育中的神经元集群在自发活动和感觉输入下的同步性与整合模式。重点分析早期“爆发性活动”（Bursting Activity）在修剪和强化连接中的作用。内容将涉及如何利用时间序列分析和计算神经科学工具，从复杂的成像数据中提取出连接拓扑结构（Connectome）的动态演变信息。 --- 第三部分：成像在疾病模型与高级功能研究中的前沿拓展 第八章：活体动物模型中的病理成像与干预 本章将讨论成像技术如何作为强大的诊断和研究工具，应用于理解神经系统疾病的发生发展。内容将涵盖利用转基因小鼠模型，追踪阿尔茨海默病中淀粉样斑块或Tau蛋白聚集的动态过程，以及帕金森病模型中多巴胺能神经元的丢失过程。重点分析在使用特定荧光探针结合双光子显微镜时，如何精确量化病理变化，并评估潜在治疗干预措施（如基因治疗或小分子药物）对病程进展的影响。 第九章：连接组的重建与大规模数据处理 随着成像分辨率和覆盖范围的提升，数据量呈指数级增长。本章探讨重建完整神经连接组（Connectomics）所依赖的成像策略，包括电子显微镜（EM）的自动化采集流程，以及与光学成像结果的整合。核心内容在于高级图像处理与分析方法，如深度学习在图像分割、神经元形态重建以及大规模三维数据配准中的应用，以期从海量数据中可靠地提取生物学信息。 第十章：人脑成像与组织工程的桥梁 最后，本章展望成像技术在类器官（Organoids）和体外模型中的应用，以及向更复杂的人脑研究的过渡。详细介绍利用高通量成像技术对“人脑类器官”的结构完整性和功能网络形成进行监测。同时，探讨如何利用非侵入性技术（如高场磁共振成像，MRI）与细胞水平的显微成像数据进行多尺度校准，为最终将实验室发现转化为临床洞察提供成像基础和验证手段。 --- 总结： 本书全面覆盖了现代神经科学和发育生物学中对成像技术的要求，从光物理基础到复杂的活体应用和数据分析，旨在为研究人员提供一个整合性的视角，以应对当前领域中最具挑战性的科学问题。

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阅读过程中，我体验到了一种强烈的学术对话感，仿佛作者正坐在我对面，用清晰的逻辑为我梳理着发育神经生物学中那些最令人困惑的环节。书中对特定发育障碍的成像研究部分，尤其发人深省。作者没有采用病理学的简单归因，而是将注意力集中于早期、甚至出生前发育轨迹的细微偏离如何积累并最终表现为宏观的行为异常。例如，对于自闭症谱系障碍早期大脑连接组重塑异常的讨论，它通过对比正常与异常发育的动态过程，提出了一个极具启发性的假设：关键的抑制性网络整合失败可能比兴奋性活动的失衡更为根本。这种细致入微的对比分析，依赖于极为精细的时间和空间分辨率的成像数据，使得论点无比坚实。书中的图表设计也值得称赞，它们清晰地展示了从细胞到系统层面的数据整合过程，极大地提升了信息传递的效率，避免了冗长文字的堆砌，真正做到了图文并茂的深度融合。

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这本书的学术深度和广度都超出了我对一本专业参考书的预期。它成功地将神经科学中“结构如何决定功能”这一核心命题，置于“发育”这一时间维度下进行考察，使得任何关于成人大脑的研究都拥有了其历史根源。我尤其欣赏作者在讨论特定发育阶段（如婴儿期）的挑战时所展现出的谦逊。如何获取高质量的活体、非麻醉状态下的儿童或婴儿脑数据，一直是领域内的痛点，书中对此提出的伦理考量和技术创新（比如结合眼动追踪和低场MRI的混合范式），展现了高度的责任感和创造力。对我来说，这部作品已经超越了工具书的范畴，它成为了一个思考框架，一个指导我如何以更长远、更动态的视角去审视神经系统构建过程的指南针。它教会我，理解成熟的大脑，必须先理解它如何从一个简单的细胞团块，历经亿万次的精确调控，最终演化成今天的复杂实体。

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这部关于神经科学和发育影像学的著作，坦率地说，给我留下了非常深刻的印象。我原以为它会是一本偏向于技术手册的读物，但事实证明，它更像是一次对人脑复杂性及其发育过程的深入哲学之旅。作者的笔触细腻而富有洞察力，尤其是在探讨早期神经回路如何通过复杂的生物物理过程塑造出感知和行为的起点时，那种层层递进的逻辑推演，让人仿佛能亲眼目睹那些微小的细胞事件如何汇聚成宏大的心智现象。书中对各种先进成像模态的介绍并非孤立的罗列，而是紧密地嵌入到具体的生物学问题之中，例如，如何利用功能性磁共振成像（fMRI）追踪学习过程中特定皮层区域的动态重组，或者如何借助高分辨率电子显微镜技术解析突触后密度的微观结构变化。我特别欣赏作者在阐述复杂概念时所采用的比喻，它们既精确又易于理解，成功地架起了理论物理、分子生物学与认知科学之间的桥梁。读完第一部分后，我对“神经可塑性”这个老生常谈的词汇有了全新的认识，它不再是一个抽象的概念，而是被细致地分解为一系列可观察、可量化的生物物理事件。这对于任何希望跨学科了解大脑奥秘的研究人员或高级学生来说，都是一份不可多得的宝藏。

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这本书的叙事节奏把握得极其到位，它没有陷入那种只有业内专家才能理解的晦涩术语泥潭，反而以一种近乎散文诗般的流畅性，引导读者穿越神经科学的各个领域。我特别关注了其中关于胎儿期视觉皮层发育的那几章。作者巧妙地引入了环境输入对初级感觉皮层“布线”的塑形作用，详细描绘了所谓的“关键期”是如何在分子层面被精确调控的。不同于市面上许多教科书的刻板，这里的讨论充满了对生命奇迹的敬畏。例如，对于抑制性神经元迁移路径的描述，结合了形态学证据和基因调控网络，让我深刻理解了大脑构建的精妙与脆弱。书中对于成像技术本身的局限性也进行了坦诚的剖析，没有过度美化现有的工具，而是直面了空间分辨率与时间分辨率之间固有的权衡困境。这种严谨的科学态度，使得全书的论述更具说服力，它不仅仅是“告诉你什么”，更是“告诉你我们是如何知道的”，这种方法论上的引导，对我个人的研究思路启发巨大。

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对于一个在生物工程领域深耕多年的实践者而言，这本书最吸引我的地方在于它对新一代成像工具的深度挖掘和前瞻性展望。书中关于活体钙成像技术（如双光子显微镜）在小鼠模型中对群体神经元活动进行记录的案例分析，简直是教科书级别的示范。作者不仅展示了数据的采集过程，更着重分析了如何从海量的时间序列数据中有效提取出有意义的神经编码模式，涉及到的信号处理和统计建模部分，深度适中，既保证了生物学家的理解，又不让工程背景的读者感到乏味。更让我感到振奋的是，书中探讨了非侵入性高场磁共振技术（如超高场fMRI）在解析灵长类动物灰白质界面结构方面的最新进展，这预示着未来我们或许能够以更高的精度解析人类复杂认知背后的微观组织学基础。总而言之，这本书不仅仅是对现有知识的总结，更像是一张未来十年神经影像学研究的路线图，充满了驱动创新的活力和严谨的学术支撑。

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