高速电压成像：揭示大脑神经网络三维协调模式!

【研究背景】

电压成像是研究神经元活动的一种重要技术，因其能够直接测量膜电位并实时监测神经元群体的活动，广泛应用于神经科学等领域。与传统的钙成像技术相比，电压成像具备更高的时间分辨率和更全面的信息获取能力，使得研究者能够更深入地理解神经电路的信息处理机制。然而，电压成像在实际应用中面临着成像速度、信噪比、体积覆盖以及光漂白率等多重挑战，这在很大程度上限制了其在大规模神经元群体中的应用。

近期，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）的博士后白璐和副研究员丛林以及王凯研究员携手在电压成像技术方面取得了新进展。他们设计并制备了一种共聚焦光场显微镜，成功克服了传统成像技术在速度和噪声性能方面的限制。该团队通过集成高速增强相机、快速稳健的扫描机制、激光散斑噪声消除以及优化光效率，实现了在小鼠大脑中对800微米直径和180微米厚度体积内的300多个神经元进行同时记录，且可持续超过20分钟。

利用这种新型显微镜，该团队显著提高了电压成像的通量，成功获取了三维神经元协调模式的数据。通过整合空间和电压活动图谱，研究者能够深入分析分布在三维空间中的神经元群体之间的快速时间协调，识别正相关与负相关神经元组之间的不同空间模式。这一研究不仅为电压成像技术在复杂神经网络研究中的应用提供了新方法，也为未来神经科学领域的研究奠定了基础。

【仪器解读】

本文通过优化光场显微镜（LFM）的原理和技术，具体来说，结合高速摄像机、快速稳健的扫描机制、激光散斑噪声消除及优化光效率，进而首次研发了共聚焦光场显微镜，从而实现了对小鼠皮层中300多只神经元的同时电压成像，最终揭示了神经元在空间分布中的三维协调模式。

针对电压成像面临的挑战，本文通过结合电压指示剂的亮度和敏感性，提升成像速度与信噪比，得到了较为理想的成像效果，进而挖掘了神经回路中的信息处理机制。文章强调，电压成像在快速成像和大规模神经元成像方面的潜力，尤其是其在理解神经网络复杂动态方面的应用。

在此基础上，通过结合长时间电压成像的能力，作者在不同时间段内进行了连续成像试验，有效控制了数据传输和存储的挑战，确保了在连续成像过程中数据的完整性。这些技术手段和发现的结合，使得对神经元活动的研究不再局限于表面层，而是能够深入到大脑的更深层次，为研究复杂的神经网络提供了新的视角和方法。

此外，本文提出的技术路线不仅适用于小鼠皮层的电压成像，还为今后的神经科学研究提供了广泛的应用前景，特别是在研究动物行为与神经活动之间的关系、探索神经病理机制等方面具有重要意义。最终，研究者们通过对成像数据的系统分析，揭示了在小鼠视觉皮层中，响应视觉刺激的神经元之间的空间相关性，深入了解了神经元之间的相互作用和信息传递，为理解大脑的功能提供了新的理论依据。

用于电压成像的共聚焦光场显微镜的示意图及特征描述

参考文献：Bai, L., Cong, L., Shi, Z. et al. Volumetric voltage imaging of neuronal populations in the mouse brain by confocal light-field microscopy. Nat Methods (2024). https://doi.org/10.1038/s41592-024-02458-5