X:BS20013

刘晓冬课题组（本科生）研究课题

欢迎感兴趣的同学来了解进一步的细节！

医学科学楼B-307 EMail: liuxiaodong@tsinghua.edu.cn

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课题1 可遥控神经功能的电磁场控制单元

基于生物体感觉功能，例如趋磁性细菌以及迁徙候鸟的磁感应功能，可应用合成生物学及生物医学工程学原理设计具有磁感应机制的细胞体系 (Stanley et al., 2012 Science)。最终目标是可通过外加磁场来遥控神经元及神经系统的功能，用于神经功能修复以及某些神经系统疾病的干预和治疗。刘晓冬课题组正在利用化学及生物合成的磁纳米颗粒及感觉神经元进行遥控神经功能的实验研究，本课题的任务是优化现有的电磁场控制电路，配合相关实验，改善施加磁场在时间和精度方面的可控性。本课题的顺利完成，将能够实现离体培养神经元兴奋性的遥控，并可在（疼痛相关）模型动物上进行初步的试验。

课题2 基于计算机仿真设计钙离子通道的调控因子

钙离子通道对于人体的生理和病理均意义重大，其调控手段和调控因子一直是研究和开发的重点，调节钙通道的药物在临床上已用于治疗心血管等方面的疾病。基于本实验室前期关于钙通道调控的研究（Liu, et al., 2010 Nature），现致力于开发面向重大疾病（如帕金森症和阿尔茨海默氏病）的新颖调制因子，当前亟待解决的问题之一是对该调控因子利用计算机仿真等手段加以进一步优化，指导新一轮实验对仿真结果进行验证。课题的任务是利用前期功能仿真和结构模拟的计算模型和结果，将结构-功能两方面有机结合起来，进一步确认关键位点，配合具体负责该课题实验部分的博士后等研究人员进行实验验证。本课题的顺利完成，将能够仿真并开发出新一代调控因子，可对重组及原生钙通道实现有效调控，并可对神经退行性疾病的动物模型上初步测试其治疗效果。

课题3 细胞自发节律性振荡的FPGA硬件实现

心肌细胞的自发节律性电活动是心脏搏动的源头。细胞膜电电位的自发节律性震荡在中枢神经系统也起到重要作用，如有证据表明多巴胺能神经元上Ca_V1.3钙通道介导的钙震荡与帕金森症密切相关。为进一步研究其相关机理，本课题旨在利用“Dynamic Clamp”的原理，利用FPGA的可编程能力，在硬件上实现具自发节律性震荡特性的钙电导并可与神经元形成实时耦合。现有膜片钳放大器的通用信号采集接口系统（ITC-18/USB）带有PGA可直接编程实现Dynamic Clamp，本课题的基本任务是利用此系统与膜片钳放大器实现互联，通过编程在硬件水平上实现可实时动态响应的Ca_V1.3电导。。

课题4 可遥控神经功能的磁纳米体系研究

基于生物体感觉功能，例如趋磁性细菌以及迁徙候鸟的磁感应功能，可应用合成生物学及生物医学工程学原理设计具有磁感应机制的细胞体系（Stanley et al., 2012 Science）。最终目标是可通过外加磁场来遥控神经元及神经系统的功能，用于神经功能修复以及某些神经系统疾病的干预和治疗。刘晓冬课题组正在利用化学及生物合成的磁纳米颗粒及感觉神经元进行进行遥控神经功能的实验研究，本课题的任务是优化现有的化学及生物合成磁纳米体系，配合相关实验，改善磁颗粒膜靶向的精度和可控性。本课题的顺利完成，将能够实现离体培养神经元兴奋性的遥控，并可在（疼痛相关）模型动物上进行初步的试验。

课题5 新一代基因编码的定量荧光(FRET)分子探针研究

基因编码的荧光探针（如绿色荧光蛋白GFP）因其深远广泛的应用而获颁诺奖。近年来更因单分子成像技术而将探针相关研究进一步推进。可用于定量荧光检测的FRET技术已广发用于生物医学研究和医学检验等领域。本实验室在三通道定量FRET算法及实验的前期工作基础上，提出了新颖的无需对照组(Referenceless) 、可原位校准的FRET探针，具有多方面的优点和广阔的应用前景。本课题配合实验室研究生的工作，近一步优化现有的新型探针和成像方法，基本目标是完成针对钙及重要相关分子信号的原位定量测量，同时对所标定的FRET探针在单分子成像模式下的应用进行探索。