OEA：付玲/罗敏敏报道全光纤多色记录和光遗传系统--监测与操控脑

封底文章 | Qi ZY, Guo QC, Wang S, Jia MY, Gao XW et al. All-fiber-transmission photometry for simultaneous optogenetic stimulation and multi-color neuronal activity recording. Opto-Electron Adv 5, 210081 (2022).

第一作者：齐中阳 博士，郭青春 研究员（共同一作）

通信作者：罗敏敏 教授，付玲 教授

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研究背景

脑科学研究是目前各国必争战略前沿，理解大脑的结构和功能是21世纪最具挑战性的前沿科学问题。神经元是神经系统最基本的结构与功能单位，其活动状态和大脑生理功能密切相关。它们通过突触彼此相互交织形成神经信息传递、处理和整合的神经环路。脑科学研究中，高效、低损伤、高时空分辨率地实时记录和操控行为动物特异类型神经元的活动是一项基础且重要的工作，是探究行为动物神经环路结构连接、生理功能的必要手段，是脑疾病研究与治疗的基础。

在神经环路功能研究中，需要通过监测与操控神经元的活动来探究神经环路与行为功能的因果关系。监测神经元活动常通过电生理记录、荧光成像等方式实现，操控神经元活动则一般采用光遗传学技术。现有光遗传学操控设备和神经元活动监测系统大部分是相互独立、分开工作的。然而，为了研究神经环路中神经元的连接、活动与功能的因果关系、光遗传学输入反馈效应，需要将光遗传学技术与神经元活动的监测技术结合起来。基于微电极的活体电生理记录方法能通过光标法以高时间分辨率记录特异类型神经元的电活动并进行光遗传学操控，但难以长时间记录同一神经元，也不能直接检测神经递质活动。荧光成像的方法具有细胞分辨率，但其深脑成像时损伤较大，且同时观测与操纵神经元类型的数量有限。

光纤记录是一种广泛应用的群体神经元活动监测方法。大脑中包含各种类型的神经元，通过电突触或神经递质传递信息。在神经环路功能研究中，需要对多种类型神经元的钙活动或神经递质活动进行监测与操控。然而，多种（色）神经元活动记录结合光遗传学技术具有挑战性，因为钙离子或神经递质指示剂基于绿色荧光蛋白或红色荧光蛋白，其发射谱与光遗传学蛋白的激发光谱接近，导致毫瓦量级的光遗传学激发光与微弱荧光信号产生严重串扰，只能对神经元活动进行单色记录和操控。

论文亮点

为实现神经元活动的多色记录与光遗传学操控，华中科技大学付玲教授团队和北京脑科学与类脑研究中心罗敏敏教授团队合作，研制了一种全光纤多色记录和光遗传操控系统，第一次在自由活动小鼠上同时实现深脑神经元的钙活动和多巴胺递质活动的观测、光遗传学操控，发现伏隔核脑区的神经元钙活动和多巴胺递质活动对原初奖赏以及上游腹侧被盖区的光遗传学输入存在明显的反应差异。

该系统设计如图1所示，通过自主设计多分支光纤束实现激发光与荧光的全光纤传输，更适用于自由活动小鼠以及多个通道的激发和探测；覆盖可见光光谱区域，实现多色激发（450 nm，561 nm），提高光谱间隔以抑制光遗传学激发光（660 nm）的串扰；结合锁相放大技术，实现多色荧光信号的探测，进一步抑制光遗传学激发光的串扰。该系统相对传统光纤记录系统具有更高的荧光收集能力。在活体上进行光遗传学刺激并实时记录多色荧光信号时，多色荧光探测通道不存在串扰现象和刺激伪迹。

图1 全光纤多色记录和光遗传操控系统。（a）多分支光纤束示意图；（b）多分支光纤束端面示意图；（c）系统示意图；（d）利用锁相放大技术提取荧光信号

将该系统应用到自由活动小鼠上，能对自由活动小鼠伏隔核（NAc）神经元钙信号以及多巴胺递质活动进行实时监测，发现两者对奖赏的反应具有时程的差异。相对钙信号，多巴胺信号对奖赏刺激会持续更长时间的激活，如图2（a）所示。此外，模拟腹侧被盖核（VTA）多巴胺神经元的间歇式（phasic）和恒久式（tonic）两种发放模式（会导致下游环路神经元活动和生理功能的差异性），对VTA-NAc多巴胺能神经元末梢分别进行不同频率的光遗传学刺激时，观察到多巴胺递质活动相对NAc神经元钙活动在受到phasic刺激时反应强度会显著上升，如图2（b）所示。表明NAc脑区的多巴胺递质主要是VTA脑区多巴胺神经元通过phasic刺激迅速释放。这是第一次在自由活动小鼠上实现深脑神经元活动的多色记录与光遗传操纵。该系统能监测不同类型神经元的活动和光遗传回路干预所产生的反馈效应，为神经环路的因果研究提供一种有效的研究工具。此外，该系统实现了光遗传学闭环回路操作，可用于脑疾病的研究，如癫痫的监测与治疗。

图2 自由活动小鼠伏隔核神经元活动的监测与操控。（a）神经元钙信号和多巴胺递质活动的双色记录；（b）光遗传操控和神经活动的双色记录

该工作以“All-fiber-transmission photometry for simultaneous optogenetic stimulation and multi-color neuronal activity recording”为题作为封底文章发表在Opto-Electronic Advances （光电进展）2022年第12期。所有动物实验均在北京生命科学研究所实验动物管理委员会的监督与许可下完成。

研究团队简介

齐中阳 博士

北京生命科学研究所影像中心主任。2021年获华中科技大学生物医学工程博士学位，研究生期间在武汉光电国家研究中心和北京生命科学研究所进行联合培养。主要研究方向为光学监测与操纵方法在行为小鼠前扣带回功能研究中的应用。

郭青春 研究员

首都医科大学与北京脑科学与类脑研究中心双聘研究员（平台）。2015年获华中科技大学光学工程博士学位，研究生期间在武汉光电国家研究中心和北京生命科学研究所进行联合培养，合作开发的光纤记录系统已在国内外100多个神经科学的实验室应用，产出论文100多篇。研究方向主要包括光学方法用于在体神经活动检测的技术和系统研究，相关工作发表Nature Communications等期刊。

罗敏敏 教授北京脑科学与类脑研究中心共同主任、资深研究员，北京生命科学研究所资深研究员，清华大学教授、博士生导师。现任中国神经科学会副理事长，Neuron杂志编委会成员等职务。长期专注于动物的奖赏惩罚的神经机制及其相关精神疾病的药物靶点研究，集中探索感觉和奖惩信号处理的神经机制及相关环路与人类精神疾病的关系；在中缝背核五羟色胺神经系统和内侧缰核—脚间核胆碱能神经投射的电生理和行为机制的研究上取得了国际公认的创新性成果。在Science、Cell、Neuron等期刊发表论文80多篇。

付玲 教授

华中科技大学武汉光电国家研究中心教授，国家自然科学基金优秀青年科学基金获得者，教育部新世纪优秀人才，美国光学学会会士，国际光学工程学会会士。专注于活体光学显微技术与生物医学应用的交叉研究，在光纤内窥显微成像的原理、器件和仪器等方面开展了系列研究工作，在Neuron等期刊发表论文多篇，核心技术获中国发明专利授权30项。针对卡脖子领域之一的医学影像设备和元器件，将光学显微镜技术转化为临床医疗器械；研制出首个获批医用的国产共聚焦内窥镜，也是全球第二个获批临床应用的探头式共聚焦内窥镜。

论文原文

Qi ZY, Guo QC, Wang S, Jia MY, Gao XW et al. All-fiber-transmission photometry for simultaneous optogenetic stimulation and multi-color neuronal activity recording. Opto-Electron Adv 5, 210081 (2022).

http://www.oejournal.org/article/doi/10.29026/oea.2022.210081

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光电科学

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