双光子全息压缩感知成像实现分钟级绘制活体大脑神经连接图谱
2025-12-12 来源:本站 点击次数:58在神经科学研究领域，精确解析活体大脑中神经元之间的突触连接是理解神经环路结构与功能关系的关键。然而，现有的突触连接映射方法存在通量低、速度慢的瓶颈，难以在生理条件下大规模、高效地绘制神经微环路。近期，一项结合了双光子全息光遗传学与压缩感知技术的新方法，为实现高通量、细胞分辨率的活体突触连接 mapping 提供了突破性解决方案。该技术通过光学手段精准激发预设的突触前神经元，并记录突触后神经元的响应，从而快速鉴定连接对、连接强度及其空间分布。
这项重要研究由 I-Wen Chen, Chung Yuen Chan, Phillip Navarro, Vincent de Sars, Emiliano Ronzitti, Karim Oweiss, Dimitrii Tanese, Valentina Emiliani 等研究人员共同完成。研究成果以“High-throughput synaptic connectivity mapping using in vivo two-photon holographic optogenetics and compressive sensing”为题，于2025年9月《Nature Neuroscience》上在线发表。
重要发现
01研究背景与核心技术挑战
传统上，在活体环境中绘制神经元间的突触连接极具挑战性。基于微电极的配对记录技术通量极低，每次实验通常只能验证极少数的连接。而基于化学解笼锁或单光子光遗传学的光学方法，则存在空间分辨率不足、穿透深度有限或难以控制激活时间等问题。本研究成功地将双光子全息光遗传学与压缩感知算法相结合，攻克了这些难题。
本研究的核心是一个定制化的光学系统，该系统集成了两条独立的光路：一条用于双光子扫描成像，另一条专用于双光子全息光刺激。光刺激路径采用高功率光纤放大器激光器（1030 nm），通过空间光调制器（SLM）生成可编程的、经过时间聚焦的全息光斑。这种设计使得研究人员能够在脑组织深处的一个约350×350×400微米的三维视野内，同时生成数十个细胞分辨率的刺激光点，为大规模并行神经调控奠定了基础。
03精准的神经元光控与空间选择性
研究团队利用表达在神经元胞体的快速光敏感视蛋白ST-ChroME，实现了对突触前神经元动作电位的毫秒级精度控制。通过系统表征，他们证实无论是单细胞刺激还是多细胞（如10个细胞）并行刺激，均能可靠地诱发动作电位，且其延迟低于4毫秒，抖动小于1毫秒。尤为关键的是，研究量化了光刺激的空间选择性，其横向生理分辨率约为10-15微米，轴向分辨率约为56-63微米，有效确保了刺激的特异性，将脱靶激活的概率控制在较低水平。
04高通量突触连接映射的实现
单细胞顺序性映射
在验证了光刺激的可靠性后，研究人员首先采用顺序性单细胞刺激策略。在麻醉小鼠的初级视觉皮层（V1）第2/3层，对每个视野（FOV）内多达100个潜在的突触前神经元进行逐个刺激，同时通过全细胞膜片钳记录一个突触后神经元的兴奋性突触后电流。该方法可在约5分钟内完成对一个视野的扫描，成功鉴定出兴奋性突触连接，并测量其连接率、响应概率、电流幅值、动力学特征等突触属性。在12个实验中，共检测到41个连接，平均连接率约为7.6%。
多细胞并行性映射与压缩感知重建
为了进一步提升映射通量，研究团队引入了压缩感知这一计算成像技术。其基本思路是，鉴于神经连接通常是稀疏的（即少数神经元之间存在连接），可以通过远少于神经元数量的测量次数来重建完整的连接图谱。实验中，研究人员不再逐个刺激神经元，而是每次使用全息光斑同时刺激一组（F=4-13个）突触前神经元，并记录整合的突触后电流响应。然后，利用压缩感知算法对这批“混合”的响应信号进行解混，从而推断出每个突触前神经元单独的连接强度。
结果表明，在连接稀疏的网络上，压缩感知方法能够以最高三倍于顺序性方法的压缩比（即测量次数减少三分之二），成功重建出大部分真实存在的连接。这显著提高了采样效率，大大缩短了实验所需时间。
创新与亮点
01突破性的成像与调控技术融合
本研究的首要创新点在于将两种前沿技术——在体双光子全息光遗传学与压缩感知重建算法——创造性地结合在一起。双光子全息光遗传学提供了深部组织、细胞分辨率的精准神经调控能力，解决了“如何同时精准控制多个神经元”的问题；而压缩感知则提供了从混合信号中提取稀疏信息的强大计算工具，解决了“如何从少量测量中解读海量连接信息”的问题。这一融合使得在活体哺乳动物大脑中，以分钟级时间尺度、微米级空间尺度进行大规模突触连接图谱的绘制成为可能。
该方法成功克服了在体研究的几大固有难题：1） 时间限制：传统全细胞记录稳定性差，难以长时间维持，而该方法的高通量特性使得在有限的记录窗口内获取大量数据成为可能；2） 信噪比挑战：在体记录噪声大，自发活动频繁，通过优化的刺激序列设计和多次重复平均，有效提取出了微伏级（pA级）的突触信号；3） 空间范围限制：该光学系统能够覆盖足够大的三维空间，允许研究分布在数百微米范围内的神经元集群之间的连接，这对于理解大脑皮层的层状和柱状结构至关重要。
03为光学生物医学研究开辟新路径
这项技术不仅对基础神经科学（如揭示神经微环路的结构-功能关系、学习记忆的突触基础等）具有重大价值，其技术框架本身也具有广阔的迁移应用前景。例如，在疾病模型研究中，可用于快速比较病理性与正常状态下的神经网络连接差异；在神经精神疾病药物开发中，可作为高通量筛选平台，评估药物对特定神经环路功能的调节作用。此外，该技术路线暗示了未来实现“全光学”连接映射的可能性，即结合预突触光刺激与突触后神经元电压成像，从而摆脱对电生理记录的依赖，实现更长期、更大规模的观测。
总结与展望
本研究首次在活体哺乳动物大脑中实现了基于光学技术的高通量、细胞分辨率突触连接映射。通过整合双光子全息光遗传学与压缩感知算法，该框架不仅显著提升了映射速度和通量，还证明了在稀疏连接的神经网络中利用计算方法减少实验测量次数的可行性。尽管在应对较高连接密度和非线性突触整合等方面仍需优化，但这项技术无疑为系统性地解析大脑连接组学提供了强有力的新工具。展望未来，随着更快的空间光调制器、更优化的算法（如自适应采样、非线性压缩感知）以及更先进的基因编码工具（如更均匀表达的视蛋白、电压敏感探针）的发展，该方法的潜力和应用范围将进一步扩大，有望深刻推动我们对大脑信息处理机制的理解，并为神经系统疾病的机理研究和治疗策略开发带来新的曙光。
声明：本文仅用作学术目的。
Chen IW, Chan CY, Navarro P, de Sars V, Ronzitti E, Oweiss K, Tanese D, Emiliani V. High-throughput synaptic connectivity mapping using in vivo two-photon holographic optogenetics and compressive sensing. Nat Neurosci. 2025 Oct;28(10):2141-2153.
DOI:10.1038/s41593-025-02024-y.