香港科技大學(xué)（ HKUST ）一支跨學(xué)科研究團隊開發(fā)出一種基于激光的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，實現(xiàn)了對大腦活動進行更高精度的監(jiān)測與操控，同時消除了全光學(xué)神經(jīng)科學(xué)實驗中長期存在的誤差來源。該研究成果發(fā)表于 Nature Communications ， 題為： Active pixel power control for crosstalk-free all-optical neural interrogation ， 由電子與計算機工程系瞿佳男教授團隊與生命科學(xué)部Julie L. Semmelhack教授團隊合作完成。

“全光學(xué)”腦科學(xué)研究

近年來，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)活動傳感器（如鈣離子指示劑），可通過熒光信號反映神經(jīng)元的活動狀態(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)實現(xiàn)了對神經(jīng)環(huán)路的“全光學(xué)“探測， 以高速 和 單細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 識別參與運動、感知與情緒等行為過程的特定神經(jīng)元 ， 并解析其作用。然而，盡管前景廣闊，全光學(xué)探測仍面臨一個關(guān)鍵技術(shù)障礙：串?dāng)_（ crosstalk ） 問題 。 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，實驗中 用于鈣信號成像的高強度紅外激光 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 。這種人為誘發(fā)的活動可在下游神經(jīng)環(huán)路中傳播，使研究人員難以區(qū)分真實的神經(jīng)信號與實驗偽影。

主動像素功率控制：實時智能“調(diào)光器”

為解決上述問題，港科大團隊開發(fā)了“主動像素功率控制 ” （ Active Pixel Power Control, APPC ）技術(shù) ， 對成像激光進行實時逐像素的 精密功率調(diào)整 。系統(tǒng)根據(jù)光敏感通道蛋白表達位置圖，通過軟件生成對應(yīng)的像素級功率調(diào)控信號，借助高速聲光調(diào)制器動態(tài)調(diào)節(jié)掃描至每個 像素 的激光強度。

在雙光子成像過程中，當(dāng)激光掃描至表達光敏感通道蛋白的神經(jīng)元區(qū)域時，系統(tǒng)會 根據(jù)蛋白表達量 降低甚至關(guān)閉該處激光功率，從而避免成像過程意外激活這些細胞；其余區(qū)域則保持正常照明，確保高質(zhì)量的神經(jīng)活動記錄。這一調(diào)整與掃描過程高速同步，使得研究人員在常規(guī)成像的同時，系統(tǒng)可自動規(guī)避易發(fā)生串?dāng)_的區(qū)域。 APPC 的一個重要優(yōu)勢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，無需更換現(xiàn)有設(shè)備即可部署使用，并可實現(xiàn) 僅用同 一臺飛秒激光器下的無串?dāng)_神經(jīng)環(huán)路“全光學(xué)探測”。

實驗驗證與更廣泛應(yīng)用前景

研究團隊在幼年斑馬魚中驗證了 APPC 的有效性。斑馬魚作為透明脊椎動物模型，在腦科學(xué)研究中應(yīng)用廣泛。實驗采用經(jīng)過基因改造、在特定中腦神經(jīng)元中同時表達鈣指示劑與光敏感通道蛋白的斑馬魚。結(jié)果顯示，在標(biāo)準(zhǔn)成像功率下，即使未施加刻意刺激，光敏感通道蛋白陽性神經(jīng)元仍會被顯著激活；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)活性與對照神經(jīng)元無異。這表明 APPC 在有效消除串?dāng)_的同時，完整保留了其他區(qū)域的成像性能。盡管當(dāng)前在斑馬魚中完成驗證， APPC 策略可便捷拓展至包括小鼠在內(nèi)的其它動物模型，具有廣泛的應(yīng)用潛力。通過融合精密光學(xué)技術(shù)與在體神經(jīng)環(huán)路研究，港科大團隊的方法成功實現(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)實驗的結(jié)果更為可靠、易于解讀。研究團隊預(yù)期， APPC 將助力更精準(zhǔn)地揭示神經(jīng)環(huán)路調(diào)控行為的機制，并推動下一代光學(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；電子與計算機工程系博士生 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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