近日，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心的王凯研究组在《自然-方法》（Nature Methods）期刊上在线发表了题为《Volumetric Voltage Imaging of Neuronal Populations in Mouse Brain by Confocal Light Field Microscope》的研究论文。该研究开发了一种新型的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，为解析神经网络的信息处理机制提供了崭新的工具。
传统的光场成像技术需要高灵敏度且大靶面的相机，以能够同时记录多个视角的投影图像。然而，由于相机的数据带宽存在限制，大靶面相机的帧率往往无法满足高效电压成像的动态需求。在此背景下，王凯研究组提出了一种创新的解决方案。
研究团队通过降低采集图像的动态范围以换取更高的帧率。尽管电压成像通常需要较高的动态范围来捕捉基线上的微弱变化，但采用高选择性的广义共聚焦原理，可以有效滤除背景噪声，从而减少信号基线。这一创新使得研究人员能够利用低动态范围的相机高效捕捉微弱的电压信号。
为了进一步降低系统的噪声，研究团队深入探讨了光场成像中的噪声来源，包括激光光源的强度噪声、扫描振镜的同步噪声以及动物血液流动导致的激光散斑噪声。这些因素均会显著影响电压成像的信噪比。针对该问题，研究提出了基于单振镜双面扫描的共聚焦光场成像技术，结合高数值孔径的光照明策略和新数据处理方法，将系统噪声降低至泊松噪声的理论极限。
研究团队还优化了系统的光学效率，以最大化荧光信号的捕获能力，实现长时间电压成像。他们自主设计了定制的密集排列微透镜阵列，并将光学元件的数量最小化，使得系统通光效率较之前的研究提高了约三倍。
结合这些技术创新，团队成功开发出新型共聚焦光场显微镜，能够在清醒小鼠脑中同步记录数百个神经元的电压信号，并实现了每秒400帧的连续成像，持续超过20分钟。这一技术的突破弥补了电压成像在成像通量、信噪比与成像时长上的不足，极大拓宽了其应用范围。
为了验证电压成像获得信号的真实性，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。通过对神经元的动作电位发放情况进行统计，研究人员鉴别出了具有不同方向选择性的神经元，其占比与该区域已知的神经元特性相符。
进一步的功能连接分析表明，与膜片钳记录相比，电压成像能够在清醒动物中实施，并且通量提高 approximately100倍。分析结果显示，神经元之间同时存在兴奋性和抑制性功能连接，且在短距离内抑制性连接明显强于兴奋性连接。这种兴奋-抑制连接的空间分布在三维空间上近似垂直于皮层表面。
王凯研究组的研究成果推动了新型三维电压成像技术的发展，显著提高了电压成像的通量，使得在清醒动物中进行三维神经网络功能连接分析成为可能。这一技术为电压成像的广泛应用奠定了基础，同时也为神经科学研究提供了全新的工具和视角，助力科研人员进一步探索大脑复杂的功能和机制。
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