中国科学院神经科学研究所王凯组开发新型三维神经网络高速电压成像技术

　　2024年10月8日，《Nature Methods》期刊在线发表了题为《Volumetric Voltage Imaging of Neuronal Populations in Mouse Brain by Confocal Light Field Microscope》的研究论文。该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)王凯研究组完成。研究团队开发了一种新型三维光场显微成像技术，显著提升了神经元电压光学成像的通量。这项技术能够对小鼠脑三维神经网络中数百神经元的膜电位进行高速同步记录，为深入解析神经网络的信息处理机制提供了新的有力工具。
 

　　对大脑工作原理的解析离不开对神经元进行功能活动的记录。神经元通过细胞膜电位的变化来编码和传递信息，传统电生理技术主要通过在大脑中插入不同形态和功能的电极来检测神经元微弱的电信号，这些技术的发展在历史上极大推动了神经科学的进步。近年来，结合功能荧光探针和光学成像的神经元功能光学成像技术在神经科学研究中引发了一场技术革命。与传统电生理技术相比，光学功能成像技术具有通量高、非侵入和分子特异性高等优点。然而，由于直接对神经元膜电位进行功能光学成像面临诸多技术挑战，目前研究人员普遍选择通过光学检测神经元的胞内钙离子浓度来间接获得神经元的激活状态。然而，这项技术缺乏解析单个动作电位的时间分辨率，也无法准确记录神经元阈下膜电位的变化，在深入解析神经信号处理机制等方面存在不足。因此，开发能够对神经元膜电位进行大规模光学记录的新技术一直是神经科学研究的长期愿景和技术前沿。
 

　　相比于钙离子成像，电压成像的速度提升近100倍。不仅要求图像采集速率提高100倍，还对在有限的荧光信号中高效捕捉微弱的电压信号提出了极高的要求，给电压敏感荧光探针和光学成像技术带来了巨大的挑战。目前，最高通量的电压光学记录主要通过宽场荧光显微镜对小鼠脑浅表神经元进行成像来实现，但其穿透深度小、效率低、通量有限等缺点限制了其在神经科学研究中的广泛应用。
 

　　为了提高电压成像的通量，并实现对三维神经网络的同步成像，研究团队开发了基于三维光场成像技术的电压成像新方法。三维光场显微镜是一种高度并行化的成像技术，能够在一次相机曝光中对三维体进行同时成像。王凯研究组长期致力于光场成像新技术的开发，并将其应用于神经科学研究：研究团队曾发明拓展视场光场显微镜，首次实现自由行为斑马鱼的全脑神经元钙离子功能成像(Cong et al., eLife 2017)；并进一步创新提出广义共聚焦原理，发明共聚焦光场显微成像技术，实现小鼠脑神经元和三维血管网络循环血细胞的快速成像(Zhang et al., Nature Biotechnology 2021)。虽然光场成像的高速成像能力对电压成像具有天然优势，但仍面临光效率低，速度与视场的矛盾，以及连续成像能力不足等问题。为此，研究团队逐一攻克这些技术难题，首次实现大范围神经元群体的三维电压成像。
 

　　首先，光场成像需要一个高灵敏度、大靶面的相机来同时记录多个视角的投影图像。然而，由于相机的数据带宽受限，大靶面相机的帧率无法满足电压成像的速度需求。为此，研究团队提出通过降低采集图像的动态范围来换取更高的帧率。通常，电压成像需要较高的动态范围来捕捉高基线上微弱变化的信号。但研究团队采用广义共聚焦原理(Zhang et al., Nature Biotechnology 2021)，高选择性滤除背景来降低信号基线，并有效整合多个视角的信息，实现了利用低动态范围的相机来高效捕捉微弱的电压信号。
 

　　进一步地，由于电压成像信号微弱，极易淹没在噪声中。为了最大限度降低系统的噪声，研究团队系统性地研究了光场成像中的噪声来源，发现激光光源的强度噪声，扫描振镜的同步噪声以及动物血液流动导致的激光散斑噪声都显著降低了电压成像的信噪比。为了克服这些难题，研究人员创新地提出基于单振镜双面扫描的共聚焦光场成像技术，结合高数值孔径的光照明策略和新数据处理方法，有效将系统噪声降低至泊松噪声理论极限。
 

　　最后，为了最大化荧光信号的捕获效率，实现长时程持续电压成像，研究团队优化了系统的光学效率。通过自主设计定制密集排列的微透镜阵列，并最小化光学元件的数量，系统的通光效率比前期工作提高约3倍。
 

　　研究团队将这些关键创新有机整合在新型共聚焦光场显微镜中，实现了对清醒小鼠脑三维视场中(直径800微米，厚度180微米)数百个神经元的电压信号开展同步记录，并以每秒400帧的速度连续成像超过20分钟。至此，新型共聚焦光场显微镜弥补了电压成像在成像通量、信噪比与成像时长上的不足，极大地提升了电压成像的应用范围。为了验证电压成像获取的信号真实可靠，研究团队记录了清醒小鼠初级视皮层中数百个神经元对光栅视觉刺激的反应特性。通过对神经元动作电位发放情况的统计，电压成像成功鉴别出具有不同方向选择性的神经元，且这些具有调谐特征的神经元占比与该区域已知的神经元特性相符。进一步，研究团队对数百个神经元构成的三维神经网络进行了功能连接分析。由于电压成像能够提供神经元的阈下膜电位信息，这一分析在传统钙离子成像和胞外电生理记录实验中无法实现。与膜片钳记录相比，电压成像可在清醒动物中开展，且通量提高约100倍。分析表明，神经元之间同时存在兴奋性和抑制性功能连接，并且在短距离内，抑制性连接强于兴奋性连接。这种兴奋-抑制的连接差异在三维空间上近似垂直于皮层表面的圆柱体。
 

　　总结而言，该研究开发了一种新型三维电压成像新技术，大幅度提高了电压成像的通量，使在清醒动物中进行三维神经网络的功能联接分析成为可能。这一关键技术进步为电压成像技术的广泛应用奠定了基础，为神经科学研究提供了新的有力工具。
 

　　中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)的博士后白璐和副研究员丛林为该研究的共同第一作者，穆宇研究员，徐宁龙研究员和熊志奇研究员参与指导了该项工作，王凯研究员为本论文的通讯作者。这项研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院青促会、上海市及中国博士后科学基金的经费资助。
 

图1 三维光场电压成像显微镜示意图和小鼠脑三维神经网络电压成像示例图