新研究实现脑回路的精确读取与控制

近日，香港科技大学电子及计算机工程学系教授瞿佳男、生命科学部访问助理教授Julie L. SEMMELHACK共同领导的跨学科研究团队，成功研发出一项新型激光控制技术。该技术如同智能调光器，可在激光扫描过程中精准、选择性地调控每个像素的亮度，从而避免非目标神经元被意外激活，大幅提升了全光学脑成像与调控的精准度。相关成果发表于《自然-通讯》。

瞿佳男（后排右）、Julie L. Semmelhack（前排右），以及论文共同第一作者严格威（后排左）、田广楠（前排右）。研究团队供图

近年来，“全光学神经环路解析”技术的进步使科学家能够精确锁定引发动作、感知或情绪反应的特定神经元。该技术基于两大突破：一是基因编码的活性传感器（如钙离子荧光指示剂），可使神经元在放电时发光，借助现代显微镜实现实时观测；二是光遗传学效应器（如视紫红质通道蛋白），能利用光控制特定神经元的开关，从而操纵神经元及环路功能。

然而，这种具备高速和单细胞级精度的方法，在使用红外激光观察某些神经元时，仍可能意外激活邻近神经元并引发放电，导致难以区分观察到的信号源自脑部自然活动还是实验操作带来的人为干扰。这种“串扰”现象影响了测量与分析的准确性。

论文共同通讯作者瞿佳男表示，全光学方法虽极具潜力，但串扰问题一直制约其发展。当使用显微成像观察神经环路时，成像光会暗中影响神经元乃至整个环路的运作。

为避免人为干预产生的假信号，研究团队开发出“主动像素功率控制”（APPC）技术。该技术如同实时智能调光器，借助定制映射软件识别光遗传蛋白的表达位置与水平，同时使用快速声光调制器动态调整每个扫描像素的激光功率。具体而言，它可针对特定区域中表达光遗传蛋白的神经元降低功率甚至完全关闭激光，同时保持大脑其他区域均匀、稳定的光照强度，从而减少串扰问题。

论文共同通讯作者Semmelhack指出，这是一个概念简单但在技术上极具挑战的想法。新技术能选择性保护实验中需要刺激的神经元，同时无需牺牲大脑其他区域的数据质量。

斑马鱼幼体与人类脑部基因有逾七成相似，常用于脑科学研究。为验证新技术性能，团队在斑马鱼脑部开展活体实验，结果表明新技术能保持神经元信号质量，同时抑制光遗传学假象，减少串扰。该技术与全球广泛使用的标准双光子显微镜兼容，无需更换整套系统即可构建实用且高性价比的实验平台。除斑马鱼外，新技术还可应用于其他动物模型，尤其是现代神经科学中常用的小鼠。

“全光学神经环路解析技术让我们能更精准地探究脑回路如何驱动行为。团队研发的APPC技术解决了串扰问题，使该技术更具潜力取代传统电极方法。”瞿佳男指出，这一科研突破有望推动脑部疾病机制研究，并促进相关动物疾病模型在新药研发中的应用。

Semmelhack认为，该研究不仅展示了精密光学技术与活体环路神经科学相结合的成果，更是工程与生物学团队携手合作的典范。