10月29日，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心的王凱研究團(tuán)隊宣布了一項重大突破：他們成功研發(fā)出一種新型三維電壓成像技術(shù)，顯著提升了電壓成像的通量，使得在清醒動物體內(nèi)對三維神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功能連接分析成為現(xiàn)實。這一創(chuàng)新技術(shù)不僅為電壓成像技術(shù)的應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)，也為神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域帶來了全新的研究工具。

近日，該團(tuán)隊在《自然-方法》（Nature Methods）期刊上發(fā)表了一篇題為“利用共聚焦光場顯微鏡實現(xiàn)小鼠大腦神經(jīng)元群體的三維電壓成像”的研究論文。該研究詳細(xì)介紹了一種新型三維光場顯微成像技術(shù)，該技術(shù)能夠高速同步記錄小鼠大腦三維神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)百個神經(jīng)元的膜電位變化，為深入解析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息處理機制提供了有力支持。

光場成像技術(shù)通常需要高靈敏度、大靶面的相機來捕捉多個視角的投影圖像。然而，由于相機的數(shù)據(jù)帶寬限制，大靶面相機的幀率往往無法滿足電壓成像的速度要求。針對這一難題，王凱團(tuán)隊提出了通過降低采集圖像的動態(tài)范圍來提高幀率的解決方案。他們利用廣義共聚焦原理，高選擇性濾除背景以降低信號基線，并整合多個視角的信息，成功實現(xiàn)了利用低動態(tài)范圍相機高效捕捉微弱的電壓信號。

為了進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，該團(tuán)隊深入探討了光場成像中的噪聲來源，并針對性地提出了基于單振鏡雙面掃描的共聚焦光場成像技術(shù)。這一技術(shù)結(jié)合高數(shù)值孔徑的光照明策略和新數(shù)據(jù)處理方法，將系統(tǒng)噪聲降低至泊松噪聲理論極限，從而顯著提高了電壓成像的信噪比。

此外，為了最大化熒光信號的捕獲效率并實現(xiàn)長時程持續(xù)電壓成像，該團(tuán)隊還優(yōu)化了系統(tǒng)的光學(xué)效率。他們通過自主設(shè)計定制密集排列的微透鏡陣列并最小化光學(xué)元件的數(shù)量，使系統(tǒng)的通光效率比前期工作提高了約3倍。

最終，王凱團(tuán)隊將這些創(chuàng)新成果整合在新型共聚焦光場顯微鏡中，實現(xiàn)了對清醒小鼠大腦三維視場中數(shù)百個神經(jīng)元電壓信號的同步記錄，并以每秒400幀的速度連續(xù)成像超過20分鐘。這一新型顯微鏡不僅彌補了傳統(tǒng)電壓成像在成像通量、信噪比與成像時長上的不足，還極大地拓展了電壓成像的應(yīng)用范圍。

為了驗證該技術(shù)的可靠性和準(zhǔn)確性，王凱團(tuán)隊記錄了清醒小鼠初級視皮層中數(shù)百個神經(jīng)元對光柵視覺刺激的反應(yīng)特性。通過對神經(jīng)元動作電位發(fā)放情況的統(tǒng)計分析，他們成功鑒別出具有不同方向選擇性的神經(jīng)元，這些神經(jīng)元的調(diào)諧特征與已知的區(qū)域神經(jīng)元特性相符。

進(jìn)一步地，該團(tuán)隊還對數(shù)百個神經(jīng)元構(gòu)成的三維神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了功能連接分析。他們發(fā)現(xiàn)，與膜片鉗記錄相比，電壓成像技術(shù)不僅可以在清醒動物中開展研究，而且通量提高了約100倍。分析結(jié)果表明，神經(jīng)元之間同時存在興奮性和抑制性功能連接，且在短距離內(nèi)抑制性連接強于興奮性連接。這種興奮-抑制的連接差異在三維空間上呈現(xiàn)出近似垂直于皮層表面的圓柱體形態(tài)。