中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）研究员王凯团队，开发了一种新型三维光场显微成像技术，显著提升了神经元电压光学成像的通量，能够对小鼠脑三维神经网络中数百神经元的膜电位进行高速同步记录，为深入解析神经网络的信息处理机制提供了新的有力工具。10月8日，相关研究在线发表于《自然—方法》。

对大脑工作原理的解析离不开对神经元进行功能活动的记录。与传统电生理技术相比，光学功能成像技术具有通量高、非侵入和分子特异性高等优点。开发能够对神经元膜电位进行大规模光学记录的新技术一直是神经科学研究的长期愿景和技术前沿。

目前，最高通量的电压光学记录主要通过宽场荧光显微镜对小鼠脑浅表神经元进行成像来实现，但其穿透深度小、效率低、通量有限等缺点限制了其在神经科学研究中的广泛应用。

为了提高电压成像的通量，并实现对三维神经网络的同步成像，研究团队开发了基于三维光场成像技术的电压成像新方法，能够在一次相机曝光中对三维体进行同时成像。

在前期研究基础上，研究团队研制了新型共聚焦光场显微镜，能够对清醒小鼠脑三维视场中（直径800微米，厚度180微米）数百个神经元的电压信号开展同步记录，并以每秒400帧的速度连续成像超过20分钟。结果表明，该新型共聚焦光场显微镜弥补了电压成像在成像通量、信噪比与成像时长上的不足，极大地提升了电压成像的应用范围。

进一步地，研究团队记录了清醒小鼠初级视皮层中数百个神经元对光栅视觉刺激的反应特性，成功鉴别出具有不同方向选择性的神经元，这些具有调谐特征的神经元占比与该区域已知的神经元特性相符。同时，研究团队对数百个神经元构成的三维神经网络进行了功能连接分析，发现神经元之间同时存在兴奋性和抑制性功能连接，在短距离内，抑制性连接强于兴奋性连接，且抑制和兴奋的连接差异在三维空间中近似一个垂直于脑表面的圆柱体。这些基本且重要的功能连接特性难以用传统技术解析，可为脑科学研究提供宝贵信息。

研究图示。图片由王凯团队提供

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41592-024-02458-5