Nature子刊：雙光子&光遺傳“遙控”小鼠大腦神經元集群
該工作系統整合了基因工程（雙表達指示蛋白與光敏蛋白）、光學硬件校準（空間光調制器與激光共聚焦）及行為學范式，建立了從系統搭建到行為驗證的全流程方案。其核心價值在于破解了傳統電生理與單光子光遺傳學的技術瓶頸，首次在細胞分辨率下同步完成大規模神經活動的讀取與操控。
重要發現
01技術核心：雙通道光學系統協同運作
研究團隊構建了雙激光路徑的集成系統
成像通道：使用920nm激光激發GCaMP6s鈣指示劑，通過雙光子掃描顯微技術捕捉神經元鈣瞬變，實時解析神經活動
刺激通道：采用1064nm低重復頻率激光（2MHz）驅動空間光調制器（SLM），生成全息光斑精準靶向C1V1光敏蛋白表達神經元
關鍵突破：通過熒光塑料片標定技術實現雙光路亞微米級空間對齊（圖1），校準誤差<2微米，確保刺激精準命中目標神經元
圖1 SLM校準：將光刺激目標映射到成像坐標
圖2 在線映射功能反應
02神經元雙表達策略的成功驗證
在體實驗證實了多種基因表達策略的可行性（圖3）
病毒雙載體法：AAV病毒分別攜帶GCaMP6s（綠色熒光）與C1V1-mRuby（紅色熒光），在體感皮層L2/3層實現共表達
轉基因-病毒聯合法：在GCaMP6s轉基因小鼠中注射AAV-C1V1，顯著提高雙表達神經元比例（40-50%）
表達監測標準：通過基線熒光強度、核質比及光響應可靠性（ΔF/F>0.3）篩選健康神經元，規避過度表達導致的細胞毒性
03行為學層級的神經操控實證在頭部固定小鼠中實現環路操控與行為輸出聯動（圖5）
感知閾值測定：刺激體感皮層200個隨機神經元時小鼠檢測成功率72%，而刺激6個振動敏感神經元時提升至89%
決策行為干預：操控視皮層方向選擇性神經元集群，顯著改變小鼠對光柵朝向的判別選擇
閉環控制：開發Naparm軟件實現毫秒級響應映射，10分鐘內完成500+神經元的光敏感性篩選（圖4）
圖4 繪制光激活神經元
圖5 一個工作示例：通過使用靶向雙光子光遺傳學刺激來探測L2/3桶狀皮層中感覺反應神經元的感知顯著性
創新與亮點
01破解傳統神經操控的三大困局空間分辨率局限：突破單光子刺激的“光斑污染”問題，通過雙光子聚焦將刺激精度提升至細胞級（FWHM=15μm）
交叉干擾難題：利用光譜分離設計（920nmvs1064nm），將成像光對光敏蛋白的誤激活率降至<5%
行為耦合延遲：集成實時運動校正算法，數據處理速度提升100倍，實現“刺激-響應-分析”的分鐘級閉環
02技術平臺的標準化價值模塊化流程：提供從系統校準（3小時）到行為實驗（5小時）的標準化流程
跨腦區普適性：成功應用于皮層（V1/S1）、海馬（CA1/CA3）、嗅球等5類腦區
開源工具包：發布Naparm、STAMovie Maker等軟件，支持SLM相位掩模生成與光響應分析
該技術被Nature Reviews Neuroscience點評為“神經因果研究的范式轉變工具”，其核心價值在于首次在活體動物中實現功能定義神經集群的精準重構，為意識解碼、記憶操縱等前沿領域提供利器。
總結與展望
全光學神經操控技術將神經科學實驗范式推向新維度。通過同步實現“讀”與“寫”的雙重操作，該技術首次在活體動物中驗證了特定神經元集群對行為輸出的因果性控制，例如證明6個振動敏感神經元足以驅動小鼠感知判斷。隨著三光子成像、紅移指示劑等輔助技術的發展，該平臺有望拓展至更深層腦區研究。
未來突破將聚焦三個方向：開發超快光敏蛋白（如ChRmine）實現毫秒級時序操控；結合電壓成像替代鈣指示劑，捕捉單動作電位事件；利用深度學習優化全息算法提升多靶點刺激效率。這些進展將推動該技術從實驗室走向臨床，為帕金森病神經調控、抑郁癥環路矯治等提供精準干預工具。
正如論文通訊作者Michael Häusser所言：“我們正從觀察大腦走向導演大腦。”
論文信息
聲明：本文僅用作學術目的。
Russell LE, Dalgleish HWP, Nutbrown R, Gauld OM, Herrmann D, Fişek M, Packer AM, Häusser M. All-optical interrogation of neural circuits in behaving mice. Nat Protoc. 2022 Jul;17(7):1579-1620.
DOI:10.1038/s41596-022-00691-w.
