神經(jīng)科學(xué)的一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo)，是在清醒、活動(dòng)的哺乳動(dòng)物中，對(duì)不同類型的神經(jīng)元群體進(jìn)行膜電壓成像。視紫紅質(zhì)衍生的近紅外遺傳編碼電壓指示劑 (genetically encoded voltage indicators, GEVIs) 具有較高的時(shí)間保真度，并兼容光遺傳學(xué)操控，而源自磷酸酶或視蛋白電壓感應(yīng)域的綠色熒光GEVI 通常較慢且較亮。由于膜定位差，光穩(wěn)定性低和信噪比低，將這些電壓傳感器轉(zhuǎn)入活的哺乳動(dòng)物大腦一直具有很大的挑戰(zhàn)性。麻省理工學(xué)院Edward S. Boyden 和美國(guó)波士頓大學(xué)Xue Han 等研究人員，開(kāi)發(fā)了一種新型熒光電壓探針SomArchon，實(shí)現(xiàn)清醒活動(dòng)小鼠多個(gè)腦區(qū)神經(jīng)活動(dòng)的群體成像。該成果于2019 年10 月發(fā)表在《自然》雜志。主要結(jié)果：（1）研究人員開(kāi)發(fā)了一種遺傳編碼的熒光電壓探針SomArchon，它具有毫秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間，并兼容光遺傳學(xué)操控，可有效提高靈敏度及信噪比。使用SomArchon 觀察到的神經(jīng)元數(shù)量，是之前利用完全遺傳方法編碼探針?biāo)^察到神經(jīng)元的數(shù)倍。（2）在常規(guī)單光子顯微鏡下，使用SomArchon 可對(duì)頭部固定、清醒的、活動(dòng)的小鼠的大腦區(qū)域（如皮層、海馬和紋狀體），同時(shí)進(jìn)行13 個(gè)神經(jīng)元的常規(guī)群體分析。（3）使用SomArchon，研究人員可以檢測(cè)到小鼠運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，紋狀體神經(jīng)元的正反應(yīng)和負(fù)反應(yīng)，正如之前使用電生理學(xué)技術(shù)報(bào)道的那樣。而使用現(xiàn)代鈣成像技術(shù)并不容易檢測(cè)到這種負(fù)反應(yīng)。該研究強(qiáng)調(diào)了電壓成像的優(yōu)勢(shì)，并揭示了紋狀體神經(jīng)元的雙向調(diào)節(jié)模式。（4）研究人員還測(cè)試了單個(gè)海馬神經(jīng)元脈沖 (spike) 與閾下θ 振蕩 (subthreshold theta oscillations) 之間的關(guān)系。SomArchon 成像顯示，與局部場(chǎng)電位 (local field potential) θ 振蕩相比，單個(gè)神經(jīng)元的脈沖與自身閾下θ 振蕩存在更多鎖相。結(jié)論：新型熒光電壓探針SomArchon 的實(shí)用性很好，它能夠記錄清醒、活動(dòng)小鼠中的神經(jīng)元脈沖和閾下振蕩的動(dòng)態(tài)變化，讓神經(jīng)元放電“看得見(jiàn)”。未來(lái)幾年，隨著成像設(shè)備以及GEVIs 的發(fā)展，簡(jiǎn)單的單光子顯微鏡就能夠?qū)?shù)十至數(shù)百個(gè)神經(jīng)元進(jìn)行成像，這將極大推動(dòng)神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展。

（Piatkevich KD, et al. Population imaging of neural activity in awake behaving mice. Nature, 2019, 574:413-417. 北京大學(xué)神經(jīng)科學(xué)研究所，付蘇 譯 劉風(fēng)雨 校）