本研究由 Jochen Meyer, Kwanha Yu, Estefania Luna-Figueroa, Benjamin Deneen 及 Jeffrey Noebels 共同完成，成果以“Glioblastoma disrupts cortical network activity at multiple spatial and temporal scales”为题在《Nature Communications》上发表。该研究不仅建立了遗传差异型肿瘤模型的双模态光学观测体系，还首次揭示了谷氨酸动态与钙信号在肿瘤微环境中的解耦现象。

技术原理
在神经肿瘤研究领域，光学成像技术因其高时空分辨率和非侵入特性成为核心研究手段。本研究整合宽场单光子成像与双光子显微两大技术，分别从宏观集群活动和单细胞级别实现了对肿瘤—神经互作的可视化。

宽场钙成像通过基因编码的钙指示蛋白（如GCaMP6s、jGCaMP7f）或谷氨酸荧光探针（如iGluSnfr），利用大视野、低倍率物镜捕捉全皮层范围的兴奋性变化。其技术优势在于可同时覆盖双侧半球，帧率可达100 Hz，精准反映神经集群的同步化活动及肿瘤周边异常电活动的传播路径。

双光子显微镜则基于红外飞秒激光激发，具备深层组织成像能力与细胞级分辨率。本研究采用920–1000 nm波段激发GCaMP或jRGECO1a探针，在清醒小鼠模型中稳定记录L2/3至L5神经元在肿瘤浸润区域内的钙瞬变活动。该技术可辨析单个神经元的动作电位序列、簇状放电模式以及肿瘤细胞内外的形态学变化。

此外，研究还结合了光谱分离技术与多通道荧光同步采集策略，可在同一准备中同时观测肿瘤荧光标记（如GFP/RFP）、钙信号和谷氨酸分布，真正实现“肿瘤—神经—递质”三位一体的动态分析。

重要发现
本研究通过多模式光学技术揭示了GBM与神经网络交互的多尺度时空动态特性。在宏观层面，基于宽场钙成像的分析表明，3xCR肿瘤在快速扩张期（>105 μm²/天）时，近瘤区（<0.75 mm）神经元钙信号的幅值、持续时间和活动强度均显著高于远瘤区域，而在GPC6肿瘤中该距离梯度效应不明显，反映遗传背景对神经活动模式的重塑作用。

在细胞微观层面，双光子显微镜记录显示：GPC6肿瘤内部神经元活动频率和幅度均高于外部区域，事件发生率提高48%（p=4.3e-7）；而3xCR肿瘤则表现为瘤内低频长时程活动和瘤外较高频发放，说明两类肿瘤以不同机制干扰神经微环路。此外，通过聚类系数分析发现，3xCR肿瘤周边神经元集群功能连接性在中期下降75%，证明其网络结构趋于碎片化。

在递质水平，研究首次报道了肿瘤微环境中谷氨酸动态与钙信号的解耦现象。宽场iGluSnfr成像显示，在3xCR模型中，谷氨酸积累的时空动态显著超越钙信号变化，其变异系数（CV/天）比钙信号高64%（p=0.008）。这表明除突触释放外，肿瘤自身可能通过分子途径（如xCT系统）主动调控细胞外谷氨酸水平。

挑战与展望
目前该技术体系仍面临多项临床转化障碍：首先，荧光报告基因的免疫原性与表达稳定性在人类应用中尚未解决；其次，现有光学成像深度局限在皮层600 μm以内，对深部肿瘤适用性低；此外，多模态数据的整合与分析依赖复杂算法，难以实现术中实时反馈。下一步研究应着力开发近红外二区（NIR-II）探针、超声光学混合成像等深部成像技术，同时推动机器学习辅助的动态信号解码。未来有望建立基于光学特征值的肿瘤侵袭性预测模型，最终实现胶质瘤相关神经功能障碍的精准干预与个体化治疗。

论文信息
声明：本文仅用作学术目的。
Meyer J, Yu K, Luna-Figueroa E, Deneen B, Noebels J. Glioblastoma disrupts cortical network activity at multiple spatial and temporal scales. Nat Commun. 2024 May 27;15(1):4503.

DOI:10.1038/s41467-024-48757-5.