Nat Commun丨瞿佳男、Julie L. Semmelhack聯合團隊開發出全光學腦神經環路精準調控與讀取新方法

香港科技大學（ HKUST ）一支跨學科研究團隊開發出一種基于激光的神經調控技術，實現了對大腦活動進行更高精度的監測與操控，同時消除了全光學神經科學實驗中長期存在的誤差來源。該研究成果發表于 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部Julie L. Semmelhack教授團隊合作完成。

“全光學”腦科學研究

近年來，兩類關鍵技術深刻改變了神經科學研究：一是基因編碼的神經活動傳感器（如鈣離子指示劑），可通過熒光信號反映神經元的活動狀態；二是光遺傳學執行器（如基因編碼光敏感通道蛋白），允許研究人員用光精準激活或抑制特定神經元。這些工具結合現代顯微成像技術實現了對神經環路的“全光學“探測， 以高速 和 單細胞分辨率同步觀察并操控選定神經元 。 從而幫助 神經科學家 識別參與運動、感知與情緒等行為過程的特定神經元 ， 并解析其作用。然而，盡管前景廣闊，全光學探測仍面臨一個關鍵技術障礙：串擾（ 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，導致本用于 成像 記錄的 激光 誘發 了 神經元放電 ，產生偽信號 。這種人為誘發的活動可在下游神經環路中傳播，使研究人員難以區分真實的神經信號與實驗偽影。

主動像素功率控制：實時智能“調光器”

為解決上述問題，港科大團隊開發了“主動像素功率控制 ” （ Active Pixel Power Control, APPC ）技術 ， 對成像激光進行實時逐像素的 精密功率調整 。系統根據光敏感通道蛋白表達位置圖，通過軟件生成對應的像素級功率調控信號，借助高速聲光調制器動態調節掃描至每個 像素 的激光強度。

在雙光子成像過程中，當激光掃描至表達光敏感通道蛋白的神經元區域時，系統會 根據蛋白表達量 降低甚至關閉該處激光功率，從而避免成像過程意外激活這些細胞；其余區域則保持正常照明，確保高質量的神經活動記錄。這一調整與掃描過程高速同步，使得研究人員在常規成像的同時，系統可自動規避易發生串擾的區域。 APPC 的一個重要優勢在于其與全球廣泛使用的標準雙光子顯微鏡完全兼容，無需更換現有設備即可部署使用，并可實現 僅用同 一臺飛秒激光器下的無串擾神經環路“全光學探測”。

實驗驗證與更廣泛應用前景

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，在腦科學研究中應用廣泛。實驗采用經過基因改造、在特定中腦神經元中同時表達鈣指示劑與光敏感通道蛋白的斑馬魚。結果顯示，在標準成像功率下，即使未施加刻意刺激，光敏感通道蛋白陽性神經元仍會被顯著激活；而在啟用 APPC 選擇性降低這些神經元區域的激光功率后，其表現活性與對照神經元無異。這表明 APPC 在有效消除串擾的同時，完整保留了其他區域的成像性能。盡管當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的其它動物模型，具有廣泛的應用潛力。通過融合精密光學技術與在體神經環路研究，港科大團隊的方法成功實現了光學“讀取”（成像）與光學“寫入”（操控）的有效分離，使全光學實驗的結果更為可靠、易于解讀。研究團隊預期， APPC 將助力更精準地揭示神經環路調控行為的機制，并推動下一代光學神經調控技術的發展。

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 嚴格維 與生命科學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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