中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）研究員王凱團隊，開發了一種新型三維光場顯微成像技術，顯著提升了神經元電壓光學成像的通量，能夠對小鼠腦三維神經網絡中數百個神經元的膜電位進行高速同步記錄。這為深入解析神經網絡的信息處理機制提供了新的有力工具。相關研究成果近日在線發表于《自然-方法》。
目前，最高通量的電壓光學記錄主要通過寬場熒光顯微鏡對小鼠腦淺表神經元進行成像來實現，但其穿透深度小、效率低、通量有限等缺點限制了其在神經科學研究中的廣泛應用。
為了提高電壓成像的通量，并實現對三維神經網絡的同步成像，研究團隊開發了基于三維光場成像技術的電壓成像新方法，能夠在一次相機曝光中對三維體進行同時成像。
在前期研究的基礎上，研究團隊研制了新型共聚焦光場顯微鏡，能夠對清醒小鼠腦三維視場中（直徑800微米，厚度180微米）數百個神經元的電壓信號開展同步記錄，并以每秒400幀的速度連續成像超過20分鐘。結果表明，該新型共聚焦光場顯微鏡彌補了電壓成像在成像通量、信噪比與成像時長上的不足，極大拓寬了電壓成像的應用范圍。
研究團隊進一步記錄了清醒小鼠初級視皮層中數百個神經元對光柵視覺刺激的反應特性，成功鑒別出具有不同方向選擇性的神經元，這些具有調諧特征的神經元占比與該區域已知的神經元特性相符。同時，研究團隊對數百個神經元構成的三維神經網絡進行了功能連接分析，發現神經元之間同時存在興奮性和抑制性功能連接，在短距離內，抑制性連接強于興奮性連接，且抑制和興奮的連接差異在三維空間中近似一個垂直于腦表面的圓柱體。這些基本且重要的功能連接特性難以用傳統技術解析，可為腦科學研究提供寶貴信息。
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https://doi.org/10.1038/s41592-024-02458-5
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