新型三维神经网络高速电压成像技术

近日，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心王凯研究组在《自然·方法》（Nature Methods）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。该研究开发了新型三维光场显微成像技术，提升了神经元电压光学成像的通量。这一技术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，为解析神经网络的信息处理机制提供了新工具。

光场成像需要高灵敏度、大靶面的相机来同时记录多个视角的投影图像。而由于相机的数据带宽受限，大靶面相机的帧率无法满足电压成像的速度需求。

该团队提出通过降低采集图像的动态范围来换取更高的帧率。通常情况下电压成像需要较高的动态范围来捕捉高基线上微弱变化的信号，但该团队采用广义共聚焦原理，高选择性滤除背景来降低信号基线，并整合多个视角的信息，实现了利用低动态范围的相机来高效捕捉微弱的电压信号。

进一步，为了最大限度降低系统的噪声，该团队探讨了光场成像中的噪声来源，发现了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均能够降低电压成像的信噪比。同时，该研究提出了基于单振镜双面扫描的共聚焦光场成像技术。这一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理论极限。

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三维光场电压成像显微镜示意图和小鼠脑三维神经网络电压成像示例图

为了最大化荧光信号的捕获效率，实现长时程持续电压成像，该研究优化了系统的光学效率。研究显示，通过自主设计定制密集排列的微透镜阵列并最小化光学元件的数量，系统的通光效率比前期工作提高约3倍。

该团队将这些成果整合在新型共聚焦光场显微镜中，实现了对清醒小鼠脑三维视场中数百个神经元的电压信号的同步记录，并以每秒400帧的速度连续成像超过20分钟。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，提升了电压成像的应用范围。为了验证电压成像获取的信号真实可靠，该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。通过对神经元动作电位发放情况的统计，电压成像鉴别出具有不同方向选择性的神经元，而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。

进而，该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。研究发现，与膜片钳记录相比，电压成像可在清醒动物中开展，且通量提高约100倍。分析表明，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。这种兴奋-抑制的连接差异在三维空间上近似垂直于皮层表面的圆柱体。

该团队研发了新型三维电压成像新技术，提高了电压成像的通量，使在清醒动物中进行三维神经网络的功能联接分析成为可能。这一技术为电压成像技术的应用奠定了基础，并为神经科学研究提供了新工具。

研究工作得到科学技术部、国家自然科学基金委员会、中国科学院及中国博士后科学基金的支持。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41592-024-02458-5