2025年10月3日，英国伦敦大学学院沃尔夫森生物医学研究所Jacques Carolan团队在Nature communications上发表了一篇名为“All-optical voltage interrogation for probing synaptic plasticity in vivo ”的研究论文，该文章结果为定义清醒动物在行为过程中已识别突触处的可塑性诱导规则提供了蓝图。

介绍
电信号是神经元的 “内部语言”，跨膜电位变化（如突触电位、动作电位）是神经元接收和传递信息的基础，要了解神经元及网络的信息处理与存储，测这些信号很关键，尤其长期测基因明确神经元的突触动态，对验证记忆存储理论很重要。但测完整大脑中单个神经元的电压动态很难，传统细胞内记录方法有局限，常用钙信号间接替代。不过，新一代适用于双光子显微镜的基因编码电压指示器（GEVI），让直接测体内基因明确神经元的电压信号有了可能。

这里提出一种新方法，结合优化的 GEVI、双光子成像、光遗传学和感觉刺激，能测清醒行为小鼠大脑中小脑浦肯野细胞树突的突触后电压信号，还发现了复杂尖峰的调节情况及相关突触电位。将颗粒细胞激活与感觉诱发的攀爬纤维信号配对（这是小脑学习的关键机制），会引发抑制性突触长期增强，也评估了其对树突和邻近神经元的影响。这种方法用传统双光子显微镜，易在多数神经科学实验室推广，能快速、无创地研究清醒行为动物神经元网络的可塑性诱导和记忆存储。

结果
01 JEDI-2Psub 体内双光子电压成像和光遗传学揭示了小脑中阈值下膜电位动力学
为测量浦肯野细胞（PC）的突触后电位，研究团队先对原有基因编码电压指示器（GEVI）JEDI-2P 进行优化，在其 GFP 与电压传感结构域间插入色氨酸。优化后指标单尖峰电压响应更大、光稳定性更好，且电压敏感性转向更负膜电位，对静息膜电位附近电压变化的响应提升 3.5 倍（这是报告突触后电位的关键），该优化指标被命名为 JEDI-2Psub，突出其对亚阈值响应的更高灵敏度。
 

图1：在激光扫描双光子激发下，JEDI-2Psub对亚阈值电压动力学的荧光响应比JEDI-2P更大

为探测浦肯野细胞（PC）兴奋性与抑制性输入突触的可塑性，研究团队开发了 “双光子电压成像测 PC 突触后电压 + 光遗传学激活颗粒细胞（GrC）输入 + 感觉刺激驱动攀爬纤维（CF）通路” 的方法。实验在清醒头部固定、跑轮上的小鼠中进行，用共振扫描双光子显微镜观察小脑表面下 50-100μm 处、表达 JEDI-2Psub 的 PC 多刺树突，其自发电压瞬变符合 CF 驱动的复杂尖峰特征。

对小鼠胡须垫加气吸刺激，PC 树突出现抑制性或兴奋性反应，其中兴奋性反应的波形与自发复杂尖峰几乎一致，确认由 CF 驱动。光遗传学激活 GrC 时，PC 常出现随刺激强度增强的分级超极化，加巴嗪可显著减弱该反应，证实是 GABA 介导的抑制性突触后电位（IPSP）；偶尔也会引发去极化，且仅视蛋白小鼠光刺激无反应、PC 复杂尖峰在记录全程及不同小鼠间无显著变化。综上，该方法能全光学诱发并解析 IPSP。
 

图2：体内双光子电压成像和光遗传学揭示了浦肯野细胞（PC）树突的亚阈值动力学

02 树突状反应的时空分析区分突触驱动的 Ca 和再生的 Ca2+事件
为探究局部网络中电压信号的空间关系，研究团队对相邻浦肯野细胞（PC）树突成像，发现相邻 PC 常出现同步复杂尖峰，其峰值潜伏期和感觉诱发概率高度相关，说明它们属于同一功能 “微区”，但尖峰幅度无显著关联，表明信号在相邻细胞中独立调节；同时，相邻 PC 树突中感觉或光遗传学诱发的抑制性突触后电位（IPSP）振幅、峰值潜伏期均密切相关，提示它们接受共同抑制输入。

团队还将单个 PC 树突分割为～5μm 段分析，发现感觉诱发和自发复杂尖峰在树突树中分布均匀，符合攀爬纤维输入广泛分布的特点；而 IPSP 分布更异质，可能因抑制性突触输入激活离散不均导致。且复杂尖峰与 IPSP 均和基线荧光无关，证明变化具有生理性。
 

图3：PC树突电压响应的时空分析区分突触驱动和再生Ca2+事件

03 体内可塑性诱导诱导 LTP 并使 PC 树突的活性正常化
研究团队用全光学方法测量突触可塑性：将光遗传学激活的颗粒细胞（GrC）与感觉诱发的攀爬纤维（CF）输入配对（CF 激活后 150 毫秒激活 GrC，1Hz 重复 300 次），发现浦肯野细胞（PC）树突的抑制性突触后电位（IPSP）出现长期增强（LTP），可持续 40 分钟；对照组（省略配对或颠倒刺激顺序）无此增强，且自发复杂尖峰稳定，排除光漂白影响。

分析显示，基线 IPSP 较小的 PC，LTP 更大；相邻 PC 的 LTP 大小高度相关，可塑性诱导后其 IPSP 信号相关性显著提高；LTP 还伴随 PC 树突上 IPSP 分布变异性降低，而复杂尖峰空间分布无明显变化。这表明该方法可在体内光学触发和监测多个树突及 PC 的可塑性。

图4：体内可塑性诱导触发抑制反应的LTP并使PC树突的活性正常化

结论
总的来说，研究团队开发的光遗传学 + 双光子电压成像技术，搭配优化传感器 JEDI-2Psub，终于能在清醒小鼠身上 “操控 + 观测” 单个树突的突触可塑性，还能直接看突触功效、长期追踪特定细胞 —— 解决了过去难精准研究的痛点。实验还发现，GrC 与 CF 两种神经输入共同激活时，会触发抑制性突触的长期增强（LTP），这种 LTP 可能帮大脑平衡兴奋性信号、调控后续神经可塑性，不过具体机制还需深入探索。这套方法不仅为完整大脑的突触研究搭好技术框架，还能适配高速显微镜，未来进一步完善后，有望帮我们彻底摸清 “单个突触可塑性” 和 “学习” 之间的关联，为破解记忆密码添关键助力。

参考文献：Carolan J, Land MA, Lu X, Beau M, Kostadinov D, St-Pierre F, Clark BA, Häusser M. All-optical voltage interrogation for probing synaptic plasticity in vivo. Nat Commun. 2025 Oct 3;16(1):8834. doi: 10.1038/s41467-025-63867-4IF: 15.7 Q1 . PMID: 41044179; PMCID: PMC12494759.

创作声明：本文是在原英文文献基础上进行解读，存在观点偏向性，仅作分享，请参考原文深入学习。

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