Nature子刊：雙光子&光遺傳“遙控”小鼠大腦神經(jīng)元集群

該工作系統(tǒng)整合了基因工程（雙表達(dá)指示蛋白與光敏蛋白）、光學(xué)硬件校準(zhǔn)（空間光調(diào)制器與激光共聚焦）及行為學(xué)范式，建立了從系統(tǒng)搭建到行為驗證的全流程方案。其核心價值在于破解了傳統(tǒng)電生理與單光子光遺傳學(xué)的技術(shù)瓶頸，首次在細(xì)胞分辨率下同步完成大規(guī)模神經(jīng)活動的讀取與操控。

重要發(fā)現(xiàn)
01技術(shù)核心：雙通道光學(xué)系統(tǒng)協(xié)同運作
研究團(tuán)隊構(gòu)建了雙激光路徑的集成系統(tǒng)
成像通道：使用920nm激光激發(fā)GCaMP6s鈣指示劑，通過雙光子掃描顯微技術(shù)捕捉神經(jīng)元鈣瞬變，實時解析神經(jīng)活動

刺激通道：采用1064nm低重復(fù)頻率激光（2MHz）驅(qū)動空間光調(diào)制器（SLM），生成全息光斑精準(zhǔn)靶向C1V1光敏蛋白表達(dá)神經(jīng)元

關(guān)鍵突破：通過熒光塑料片標(biāo)定技術(shù)實現(xiàn)雙光路亞微米級空間對齊（圖1），校準(zhǔn)誤差<2微米，確保刺激精準(zhǔn)命中目標(biāo)神經(jīng)元

圖1 SLM校準(zhǔn)：將光刺激目標(biāo)映射到成像坐標(biāo) 

圖2 在線映射功能反應(yīng)

轉(zhuǎn)基因-病毒聯(lián)合法：在GCaMP6s轉(zhuǎn)基因小鼠中注射AAV-C1V1，顯著提高雙表達(dá)神經(jīng)元比例（40-50%）

表達(dá)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)：通過基線熒光強(qiáng)度、核質(zhì)比及光響應(yīng)可靠性（ΔF/F>0.3）篩選健康神經(jīng)元，規(guī)避過度表達(dá)導(dǎo)致的細(xì)胞毒性

決策行為干預(yù)：操控視皮層方向選擇性神經(jīng)元集群，顯著改變小鼠對光柵朝向的判別選擇

閉環(huán)控制：開發(fā)Naparm軟件實現(xiàn)毫秒級響應(yīng)映射，10分鐘內(nèi)完成500+神經(jīng)元的光敏感性篩選（圖4）

圖4 繪制光激活神經(jīng)元

圖5 一個工作示例：通過使用靶向雙光子光遺傳學(xué)刺激來探測L2/3桶狀皮層中感覺反應(yīng)神經(jīng)元的感知顯著性

創(chuàng)新與亮點

空間分辨率局限：突破單光子刺激的“光斑污染”問題，通過雙光子聚焦將刺激精度提升至細(xì)胞級（FWHM=15μm）

交叉干擾難題：利用光譜分離設(shè)計（920nmvs1064nm），將成像光對光敏蛋白的誤激活率降至<5%

行為耦合延遲：集成實時運動校正算法，數(shù)據(jù)處理速度提升100倍，實現(xiàn)“刺激-響應(yīng)-分析”的分鐘級閉環(huán)

模塊化流程：提供從系統(tǒng)校準(zhǔn)（3小時）到行為實驗（5小時）的標(biāo)準(zhǔn)化流程

跨腦區(qū)普適性：成功應(yīng)用于皮層（V1/S1）、海馬（CA1/CA3）、嗅球等5類腦區(qū)

開源工具包：發(fā)布Naparm、STAMovie Maker等軟件，支持SLM相位掩模生成與光響應(yīng)分析

該技術(shù)被Nature Reviews Neuroscience點評為“神經(jīng)因果研究的范式轉(zhuǎn)變工具”，其核心價值在于首次在活體動物中實現(xiàn)功能定義神經(jīng)集群的精準(zhǔn)重構(gòu)，為意識解碼、記憶操縱等前沿領(lǐng)域提供利器。

總結(jié)與展望
全光學(xué)神經(jīng)操控技術(shù)將神經(jīng)科學(xué)實驗范式推向新維度。通過同步實現(xiàn)“讀”與“寫”的雙重操作，該技術(shù)首次在活體動物中驗證了特定神經(jīng)元集群對行為輸出的因果性控制，例如證明6個振動敏感神經(jīng)元足以驅(qū)動小鼠感知判斷。隨著三光子成像、紅移指示劑等輔助技術(shù)的發(fā)展，該平臺有望拓展至更深層腦區(qū)研究。

未來突破將聚焦三個方向：開發(fā)超快光敏蛋白（如ChRmine）實現(xiàn)毫秒級時序操控；結(jié)合電壓成像替代鈣指示劑，捕捉單動作電位事件；利用深度學(xué)習(xí)優(yōu)化全息算法提升多靶點刺激效率。這些進(jìn)展將推動該技術(shù)從實驗室走向臨床，為帕金森病神經(jīng)調(diào)控、抑郁癥環(huán)路矯治等提供精準(zhǔn)干預(yù)工具。

正如論文通訊作者M(jìn)ichael Häusser所言：“我們正從觀察大腦走向?qū)а荽竽X。”

DOI:10.1038/s41596-022-00691-w.