香港科技大學(xué)（ HKUST ）一支跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種基于激光的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大腦活動(dòng)進(jìn)行更高精度的監(jiān)測(cè)與操控，同時(shí)消除了全光學(xué)神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)中長(zhǎng)期存在的誤差來(lái)源。該研究成果發(fā)表于 Nature Communications ， 題為： Active pixel power control for crosstalk-free all-optical neural interrogation ， 由電子與計(jì)算機(jī)工程系瞿佳男教授團(tuán)隊(duì)與生命科學(xué)部Julie L. Semmelhack教授團(tuán)隊(duì)合作完成。

“全光學(xué)”腦科學(xué)研究

近年來(lái)，兩類關(guān)鍵技術(shù)深刻改變了神經(jīng)科學(xué)研究：一是基因編碼的神經(jīng)活動(dòng)傳感器（如鈣離子指示劑），可通過(guò)熒光信號(hào)反映神經(jīng)元的活動(dòng)狀態(tài)；二是光遺傳學(xué)執(zhí)行器（如基因編碼光敏感通道蛋白），允許研究人員用光精準(zhǔn)激活或抑制特定神經(jīng)元。這些工具結(jié)合現(xiàn)代顯微成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)神經(jīng)環(huán)路的“全光學(xué)“探測(cè)， 以高速 和 單細(xì)胞分辨率同步觀察并操控選定神經(jīng)元 。 從而幫助 神經(jīng)科學(xué)家 識(shí)別參與運(yùn)動(dòng)、感知與情緒等行為過(guò)程的特定神經(jīng)元 ， 并解析其作用。然而，盡管前景廣闊，全光學(xué)探測(cè)仍面臨一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)障礙：串?dāng)_（ crosstalk ） 問(wèn)題 。 由于鈣離子指示劑和光敏感通道蛋白都具有很寬的雙光子吸收光譜，實(shí)驗(yàn)中 用于鈣信號(hào)成像的高強(qiáng)度紅外激光 常常 意外激活光敏感通道蛋白，導(dǎo)致本用于 成像 記錄的 激光 誘發(fā) 了 神經(jīng)元放電 ，產(chǎn)生偽信號(hào) 。這種人為誘發(fā)的活動(dòng)可在下游神經(jīng)環(huán)路中傳播，使研究人員難以區(qū)分真實(shí)的神經(jīng)信號(hào)與實(shí)驗(yàn)偽影。

主動(dòng)像素功率控制：實(shí)時(shí)智能“調(diào)光器”

為解決上述問(wèn)題，港科大團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了“主動(dòng)像素功率控制 ” （ Active Pixel Power Control, APPC ）技術(shù) ， 對(duì)成像激光進(jìn)行實(shí)時(shí)逐像素的 精密功率調(diào)整 。系統(tǒng)根據(jù)光敏感通道蛋白表達(dá)位置圖，通過(guò)軟件生成對(duì)應(yīng)的像素級(jí)功率調(diào)控信號(hào)，借助高速聲光調(diào)制器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)掃描至每個(gè) 像素 的激光強(qiáng)度。

在雙光子成像過(guò)程中，當(dāng)激光掃描至表達(dá)光敏感通道蛋白的神經(jīng)元區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)會(huì) 根據(jù)蛋白表達(dá)量 降低甚至關(guān)閉該處激光功率，從而避免成像過(guò)程意外激活這些細(xì)胞；其余區(qū)域則保持正常照明，確保高質(zhì)量的神經(jīng)活動(dòng)記錄。這一調(diào)整與掃描過(guò)程高速同步，使得研究人員在常規(guī)成像的同時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)規(guī)避易發(fā)生串?dāng)_的區(qū)域。 APPC 的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于其與全球廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)雙光子顯微鏡完全兼容，無(wú)需更換現(xiàn)有設(shè)備即可部署使用，并可實(shí)現(xiàn) 僅用同 一臺(tái)飛秒激光器下的無(wú)串?dāng)_神經(jīng)環(huán)路“全光學(xué)探測(cè)”。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與更廣泛應(yīng)用前景

研究團(tuán)隊(duì)在幼年斑馬魚(yú)中驗(yàn)證了 APPC 的有效性。斑馬魚(yú)作為透明脊椎動(dòng)物模型，在腦科學(xué)研究中應(yīng)用廣泛。實(shí)驗(yàn)采用經(jīng)過(guò)基因改造、在特定中腦神經(jīng)元中同時(shí)表達(dá)鈣指示劑與光敏感通道蛋白的斑馬魚(yú)。結(jié)果顯示，在標(biāo)準(zhǔn)成像功率下，即使未施加刻意刺激，光敏感通道蛋白陽(yáng)性神經(jīng)元仍會(huì)被顯著激活；而在啟用 APPC 選擇性降低這些神經(jīng)元區(qū)域的激光功率后，其表現(xiàn)活性與對(duì)照神經(jīng)元無(wú)異。這表明 APPC 在有效消除串?dāng)_的同時(shí)，完整保留了其他區(qū)域的成像性能。盡管當(dāng)前在斑馬魚(yú)中完成驗(yàn)證， APPC 策略可便捷拓展至包括小鼠在內(nèi)的其它動(dòng)物模型，具有廣泛的應(yīng)用潛力。通過(guò)融合精密光學(xué)技術(shù)與在體神經(jīng)環(huán)路研究，港科大團(tuán)隊(duì)的方法成功實(shí)現(xiàn)了光學(xué)“讀取”（成像）與光學(xué)“寫入”（操控）的有效分離，使全光學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果更為可靠、易于解讀。研究團(tuán)隊(duì)預(yù)期， APPC 將助力更精準(zhǔn)地揭示神經(jīng)環(huán)路調(diào)控行為的機(jī)制，并推動(dòng)下一代光學(xué)神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的發(fā)展。

瞿佳男教授與朱莉·塞梅爾哈克教授為該論文共同通訊作者；電子與計(jì)算機(jī)工程系博士生 嚴(yán)格維 與生命科學(xué)部田廣南博士為共同第一作者。

https://www.nature.com/articles/s41467-026-69419-8

制版人： 十一

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