雙光子全息壓縮感知成像實(shí)現(xiàn)分鐘級繪制活體大腦神經(jīng)連接圖譜

在神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域，精確解析活體大腦中神經(jīng)元之間的突觸連接是理解神經(jīng)環(huán)路結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的關(guān)鍵。然而，現(xiàn)有的突觸連接映射方法存在通量低、速度慢的瓶頸，難以在生理?xiàng)l件下大規(guī)模、高效地繪制神經(jīng)微環(huán)路。近期，一項(xiàng)結(jié)合了雙光子全息光遺傳學(xué)與壓縮感知技術(shù)的新方法，為實(shí)現(xiàn)高通量、細(xì)胞分辨率的活體突觸連接 mapping 提供了突破性解決方案。該技術(shù)通過光學(xué)手段精準(zhǔn)激發(fā)預(yù)設(shè)的突觸前神經(jīng)元，并記錄突觸后神經(jīng)元的響應(yīng)，從而快速鑒定連接對、連接強(qiáng)度及其空間分布。

這項(xiàng)重要研究由 I-Wen Chen, Chung Yuen Chan, Phillip Navarro, Vincent de Sars, Emiliano Ronzitti, Karim Oweiss, Dimitrii Tanese, Valentina Emiliani 等研究人員共同完成。研究成果以“High-throughput synaptic connectivity mapping using in vivo two-photon holographic optogenetics and compressive sensing”為題，于2025年9月《Nature Neuroscience》上在線發(fā)表。

重要發(fā)現(xiàn)
01研究背景與核心技術(shù)挑戰(zhàn)
傳統(tǒng)上，在活體環(huán)境中繪制神經(jīng)元間的突觸連接極具挑戰(zhàn)性。基于微電極的配對記錄技術(shù)通量極低，每次實(shí)驗(yàn)通常只能驗(yàn)證極少數(shù)的連接。而基于化學(xué)解籠鎖或單光子光遺傳學(xué)的光學(xué)方法，則存在空間分辨率不足、穿透深度有限或難以控制激活時(shí)間等問題。本研究成功地將雙光子全息光遺傳學(xué)與壓縮感知算法相結(jié)合，攻克了這些難題。

04高通量突觸連接映射的實(shí)現(xiàn)
單細(xì)胞順序性映射
在驗(yàn)證了光刺激的可靠性后，研究人員首先采用順序性單細(xì)胞刺激策略。在麻醉小鼠的初級視覺皮層（V1）第2/3層，對每個(gè)視野（FOV）內(nèi)多達(dá)100個(gè)潛在的突觸前神經(jīng)元進(jìn)行逐個(gè)刺激，同時(shí)通過全細(xì)胞膜片鉗記錄一個(gè)突觸后神經(jīng)元的興奮性突觸后電流。該方法可在約5分鐘內(nèi)完成對一個(gè)視野的掃描，成功鑒定出興奮性突觸連接，并測量其連接率、響應(yīng)概率、電流幅值、動(dòng)力學(xué)特征等突觸屬性。在12個(gè)實(shí)驗(yàn)中，共檢測到41個(gè)連接，平均連接率約為7.6%。

多細(xì)胞并行性映射與壓縮感知重建
為了進(jìn)一步提升映射通量，研究團(tuán)隊(duì)引入了壓縮感知這一計(jì)算成像技術(shù)。其基本思路是，鑒于神經(jīng)連接通常是稀疏的（即少數(shù)神經(jīng)元之間存在連接），可以通過遠(yuǎn)少于神經(jīng)元數(shù)量的測量次數(shù)來重建完整的連接圖譜。實(shí)驗(yàn)中，研究人員不再逐個(gè)刺激神經(jīng)元，而是每次使用全息光斑同時(shí)刺激一組（F=4-13個(gè)）突觸前神經(jīng)元，并記錄整合的突觸后電流響應(yīng)。然后，利用壓縮感知算法對這批“混合”的響應(yīng)信號進(jìn)行解混，從而推斷出每個(gè)突觸前神經(jīng)元單獨(dú)的連接強(qiáng)度。

結(jié)果表明，在連接稀疏的網(wǎng)絡(luò)上，壓縮感知方法能夠以最高三倍于順序性方法的壓縮比（即測量次數(shù)減少三分之二），成功重建出大部分真實(shí)存在的連接。這顯著提高了采樣效率，大大縮短了實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
01突破性的成像與調(diào)控技術(shù)融合
本研究的首要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于將兩種前沿技術(shù)——在體雙光子全息光遺傳學(xué)與壓縮感知重建算法——創(chuàng)造性地結(jié)合在一起。雙光子全息光遺傳學(xué)提供了深部組織、細(xì)胞分辨率的精準(zhǔn)神經(jīng)調(diào)控能力，解決了“如何同時(shí)精準(zhǔn)控制多個(gè)神經(jīng)元”的問題；而壓縮感知?jiǎng)t提供了從混合信號中提取稀疏信息的強(qiáng)大計(jì)算工具，解決了“如何從少量測量中解讀海量連接信息”的問題。這一融合使得在活體哺乳動(dòng)物大腦中，以分鐘級時(shí)間尺度、微米級空間尺度進(jìn)行大規(guī)模突觸連接圖譜的繪制成為可能。

03為光學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究開辟新路徑
這項(xiàng)技術(shù)不僅對基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)（如揭示神經(jīng)微環(huán)路的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系、學(xué)習(xí)記憶的突觸基礎(chǔ)等）具有重大價(jià)值，其技術(shù)框架本身也具有廣闊的遷移應(yīng)用前景。例如，在疾病模型研究中，可用于快速比較病理性與正常狀態(tài)下的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接差異；在神經(jīng)精神疾病藥物開發(fā)中，可作為高通量篩選平臺，評估藥物對特定神經(jīng)環(huán)路功能的調(diào)節(jié)作用。此外，該技術(shù)路線暗示了未來實(shí)現(xiàn)“全光學(xué)”連接映射的可能性，即結(jié)合預(yù)突觸光刺激與突觸后神經(jīng)元電壓成像，從而擺脫對電生理記錄的依賴，實(shí)現(xiàn)更長期、更大規(guī)模的觀測。

總結(jié)與展望
本研究首次在活體哺乳動(dòng)物大腦中實(shí)現(xiàn)了基于光學(xué)技術(shù)的高通量、細(xì)胞分辨率突觸連接映射。通過整合雙光子全息光遺傳學(xué)與壓縮感知算法，該框架不僅顯著提升了映射速度和通量，還證明了在稀疏連接的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中利用計(jì)算方法減少實(shí)驗(yàn)測量次數(shù)的可行性。盡管在應(yīng)對較高連接密度和非線性突觸整合等方面仍需優(yōu)化，但這項(xiàng)技術(shù)無疑為系統(tǒng)性地解析大腦連接組學(xué)提供了強(qiáng)有力的新工具。展望未來，隨著更快的空間光調(diào)制器、更優(yōu)化的算法（如自適應(yīng)采樣、非線性壓縮感知）以及更先進(jìn)的基因編碼工具（如更均勻表達(dá)的視蛋白、電壓敏感探針）的發(fā)展，該方法的潛力和應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，有望深刻推動(dòng)我們對大腦信息處理機(jī)制的理解，并為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的機(jī)理研究和治療策略開發(fā)帶來新的曙光。

DOI:10.1038/s41593-025-02024-y.