中国研发出新型三维电压成像新技术

10月29日，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心的王凯研究团队宣布了一项重大突破：他们成功研发出一种新型三维电压成像技术，显著提升了电压成像的通量，使得在清醒动物体内对三维神经网络进行功能连接分析成为现实。这一创新技术不仅为电压成像技术的应用奠定了坚实基础，也为神经科学研究领域带来了全新的研究工具。

近日，该团队在《自然-方法》（Nature Methods）期刊上发表了一篇题为“利用共聚焦光场显微镜实现小鼠大脑神经元群体的三维电压成像”的研究论文。该研究详细介绍了一种新型三维光场显微成像技术，该技术能够高速同步记录小鼠大脑三维神经网络中数百个神经元的膜电位变化，为深入解析神经网络的信息处理机制提供了有力支持。

光场成像技术通常需要高灵敏度、大靶面的相机来捕捉多个视角的投影图像。然而，由于相机的数据带宽限制，大靶面相机的帧率往往无法满足电压成像的速度要求。针对这一难题，王凯团队提出了通过降低采集图像的动态范围来提高帧率的解决方案。他们利用广义共聚焦原理，高选择性滤除背景以降低信号基线，并整合多个视角的信息，成功实现了利用低动态范围相机高效捕捉微弱的电压信号。

为了进一步优化系统性能，该团队深入探讨了光场成像中的噪声来源，并针对性地提出了基于单振镜双面扫描的共聚焦光场成像技术。这一技术结合高数值孔径的光照明策略和新数据处理方法，将系统噪声降低至泊松噪声理论极限，从而显著提高了电压成像的信噪比。

此外，为了最大化荧光信号的捕获效率并实现长时程持续电压成像，该团队还优化了系统的光学效率。他们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，使系统的通光效率比前期工作提高了约3倍。

最终，王凯团队将这些创新成果整合在新型共聚焦光场显微镜中，实现了对清醒小鼠大脑三维视场中数百个神经元电压信号的同步记录，并以每秒400帧的速度连续成像超过20分钟。这一新型显微镜不仅弥补了传统电压成像在成像通量、信噪比与成像时长上的不足，还极大地拓展了电压成像的应用范围。

为了验证该技术的可靠性和准确性，王凯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分析，他们成功鉴别出具有不同方向选择性的神经元，这些神经元的调谐特征与已知的区域神经元特性相符。

进一步地，该团队还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。他们发现，与膜片钳记录相比，电压成像技术不仅可以在清醒动物中开展研究，而且通量提高了约100倍。分析结果表明，神经元之间同时存在兴奋性和抑制性功能连接，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呈现出近似垂直于皮层表面的圆柱体形态。