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我們的大腦由數十億個神經元組成，它們通過電信號相互“交流”，讓我們能夠思考、行動、感受情緒。但一直以來，很難“看到”這些電信號在大腦中是如何實時變化的，尤其是在動物或人正在思考、學習的時候。熒光基因編碼的電壓指示器可以報告目標細胞類型的跨膜電位變化。然而，現有的電壓成像設備在靈敏度上存在不足，難以追蹤神經群體中自發或誘發的高頻電壓振蕩。

基于此，2025年7月16日，斯坦福大學Mark J. Schnitzer研究團隊在Cell雜志發表了“Imaging high-frequency voltage dynamics in multiple neuron classes of behaving mammals”揭示了在行為狀態下哺乳動物的多種神經元類型中成像高頻電壓動態變化。

在此，作者介紹了兩種互補的TEMPO（光學跨膜電測量）電壓傳感技術，能夠捕捉高達約100Hz的神經振蕩。光纖TEMPO技術的靈敏度比以往的光度電壓檢測方法提高了約10倍，支持長達數小時的記錄，在自由活動的小鼠中實現了通過一根光纖探針即可同時監測兩類神經元的活動。借助該技術，發現了跨頻率耦合的theta波段和gamma波段振蕩，并刻畫了在海馬尖波和視覺皮層處理過程中興奮性與抑制性神經元的動態相互作用。而TEMPO中尺度成像系統可以在頭固定動物中，對約8毫米視野范圍內的兩類神經元進行電壓活動成像。在清醒小鼠中，該技術揭示了感覺誘發的興奮-抑制神經相互作用以及視覺皮層中gamma波段和3–7Hz波段的行波活動，同時觀察到了海馬theta波和beta波的雙向傳播方向。這些技術為在健康和疾病狀態下探索多種腦振蕩和不同類型神經元之間的相互作用提供了廣泛的應用前景。

圖一 uSMAART光度法可捕捉高達100Hz的神經電壓活動

為了追蹤活躍哺乳動物中的高頻振蕩，作者開發了uSMAART技術。

主要問題：此前的光纖設備難以捕捉高頻振蕩，主要原因包括：GEVI光度信號非常微弱；血流動力學或組織運動引起的偽影與熒光電壓信號相當甚至更大；照明、探測和自發熒光的波動也限制了測量靈敏度等。以往的研究無法記錄單個高頻波形，只能通過多次試驗平均來分析高頻活動。主要噪聲來源于激光在光纖中因彎曲引發的“模式跳躍”，造成散斑噪聲等。

基于這些考慮，設計了uSMAART，采用高頻調制激光以提高穩定性，并主動破壞光源的相干性，從而消除光纖模式跳躍帶來的噪聲。首先需要驗證性能， 發現uSMAART的靈敏度比現有光纖電壓檢測技術提高了約10倍。

在活體實驗中，將uSMAART與局部場電位（LFP）同步記錄結合，要求高頻光學信號必須與LFP同步增強，從而提升對小幅度高頻信號來源。首先在頭固定小鼠中測試了密集標記的神經元群體，隨后在自由活動的小鼠中記錄稀疏細胞類型，最后實現了對兩類細胞的同時監測。使用了多種GEVI，包括FRET類的Ace-mNeon、Varnam1、Varnam2和基于GFP的ASAP3。其中ASAP3在檢測閾下振蕩方面表現更優。將uSMAART與ASAP3結合，使整體靈敏度提升了約100倍，首次實現了單次試驗中的高頻信號記錄。

具體流程：作者測試了清醒頭固定小鼠視覺皮層（V1）的高頻活動，發現視覺刺激誘發了3–7Hz振蕩，驗證了TEMPO能捕捉特定細胞類型的高頻動態。接著在頭固定活動小鼠中記錄了一類稀疏細胞的高頻活動。在海馬CA1區表達ASAP3的PV中間神經元中，氣流刺激引發了beta波段（15–30Hz）的信號變化，而參考信號反映了慢速生理偽影。最后在探索環境的小鼠中研究了CA1PV細胞的活動。運動改變了LFP和TEMPO信號，在奔跑過程中，TEMPO記錄到的電壓信號在theta（5–9Hz）、beta（15–30Hz）和gamma（30–100Hz）頻段顯著增強，表明PV神經元在這些頻段中發揮了重要作用。

圖二 uSMAART能夠捕捉特定細胞類型的腦波交叉頻率耦合

鑒者能夠捕捉高頻神經活動的能力，進一步探索了是否可以在特定神經元類型中觀察到交叉頻率耦合（CFC）。CFC與多種人類認知過程相關。

首先在麻醉小鼠中研究了皮層delta-gamma耦合。在表達ASAP3的視覺皮層PV細胞中，TEMPO信號顯示出了明顯的delta節律以及在delta上升階段出現的gamma頻段爆發。令人驚訝的是，gamma爆發出現在兩個不同的頻段：30–60Hz和70–110Hz并且分別對應delta波的不同相位。高頻gamma活動的峰值先于delta去極化的峰值，而低頻gamma活動的峰值則在其之后。

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接下來，作者在自由行為小鼠中檢測了海馬PV細胞中的theta-gamma CFC。PV細胞的gamma活動幅度在LFPtheta波的波峰處達到最大，而LFP自身的gamma活動峰值則相對于theta波存在相位偏移。PV細胞功能異常被認為與包括癲癇在內的多種疾病有關，在這些疾病中，興奮與抑制活動失衡會導致過度興奮和癲癇發作。值得注意的是，PV細胞的異常動態可能會影響興奮性錐體細胞的調控。

為了研究上述問題，在表達ASAP3的PV細胞和非選擇性表達mRuby2的海馬CA1區誘導KA引發的癲癇發作，并在小鼠自由活動狀態下記錄LFP和TEMPO信號。在類癲癇事件中，PV細胞經歷了兩個連續的變化階段。首先，此時LFP顯示出細胞外超極化（即細胞內去極化導致局部電流流入）。隨后，PV細胞超極化約1秒，此時CA1區進入高度興奮狀態并出現癲癇樣尖峰和高頻爆發，可能反映了興奮與抑制細胞之間的正反饋。在癲癇活動的第二階段，可能有另一種中間神經元類型抑制了PV細胞的放電。

本研究中觀察到的PV細胞癲癇樣放電與先前記錄一致，表明在類癲癇事件中興奮與抑制動態轉換的證據，并展示了TEMPO技術在揭示不同類型神經元如何影響癲癇發生方面的潛力。

圖三 delta頻段與gamma頻段之間的相互作用

同時追蹤多種神經元類型和多個腦區的成像能力，將有助于研究大腦區域之間的動態交互。

在氯胺酮-賽拉嗪（KX）麻醉并在新皮層PV細胞中表達ASAP3、錐體細胞中表達Varnam2的小鼠中，兩種神經元在初級視覺皮層（V1）和初級運動皮層（M1）都表現出明顯的delta節律。與此前結果一致，PV細胞在V1和M1中均顯示出delta-gamma交叉頻率耦合，且M1的delta活動比V1提前約103毫秒。對錐體細胞的計算也顯示M1活動提前約117毫秒，這些結果提示可能存在以每秒10–15毫米速度由前向后傳播的腦波。

由于uSMAART主要記錄光纖末端附近的信號，于是開發了另一套互補設備TEMPO中尺度成像系統用于在頭固定小鼠中對整個皮層的電壓動態進行成像。該系統基于TEMPO技術，具有三大特點：一是采用一對高功率、低噪聲LED來激發兩種GEVI；二是使用低像差、高數值孔徑的宏觀物鏡，可成像直徑達8毫米的視野；三是配備兩條檢測通路，分別使用sCMOS相機記錄GEVI和參考熒光信號。

為捕捉更高頻的活動或更精細的時間動態，作者在較小視野（2.7×8毫米）下以每秒300幀的速度成像。在這兩種模式下，均可在約10分鐘內采集約1TB的原始數據，并從中分離出生物信號與儀器偽影。為成像皮層PV細胞或L2/3錐體細胞，作者分別在PV-Cre或Cux2-CreERT2小鼠中逆行注射AAV2/PHP.eB病毒來驅動Cre依賴的ASAP3表達和非選擇性的mRuby2表達。在KX麻醉狀態下進行TEMPO成像發現，delta波在整個新皮層從前向后傳播。在delta波峰值期間，局部出現gamma（30–60Hz）活動，但不同于delta，gamma活動局限于約2毫米寬的區域。與delta波不同，gamma波沿外側向內側傳播，其傳播方向與前后軸的角度分別為72°和88°，傳播速度也顯著更快。

這一觀察表明，耦合振蕩并不一定沿相同方向傳播，突顯了TEMPO成像技術揭示交叉頻率耦合與行波動態復雜時空結構的能力。

圖四 在行為小鼠中對兩類神經元的同步電壓動態進行成像

為了研究清醒小鼠中新皮層PV細胞和錐體細胞的同步激活，作者在小鼠觀看漂移光柵刺激時進行了雙細胞類型TEMPO成像。在初級視覺皮層（V1）中，光柵刺激在結束后引發了兩類細胞中頻率為3–7Hz的振蕩活動。與之前觀察一致，在表達ASAP3的細胞中檢測到刺激誘發的gamma頻段活動增強，而在表達Varnam2的細胞中則未見此類變化。

作者計算了不同細胞類型之間波動的相關系數和時間延遲，并繪制了相應的圖譜。相關系數在視覺皮層區域最高。然而，當交換兩種GEVI在兩類神經元中的分配時，所測得的時間延遲也發生了變化。這表明一種或兩種GEVI可能由于熒光電壓信號響應速度不足，無法準確反映波動的瞬時相位。

受此啟發，作者進一步評估了本研究所使用的三種GEVI所引入的延遲情況。結果顯示，Varnam2和Ace-mNeon2存在一定的非零延遲，而ASAP3幾乎沒有延遲。作者估算了視覺皮層中PV細胞與錐體細胞在3–7Hz振蕩期間真實的生理時間差。無論將ASAP3和Varnam2分配給哪一類細胞，所估計的生理延遲在統計上基本一致，且結果顯示錐體細胞的去極化發生在PV細胞之前。這一發現與此前對清醒小鼠視覺誘發3–7Hz振蕩的膜片鉗記錄結果一致。

圖五 全文摘要圖

總結

該研究利用先進的光學電壓成像技術，在行為動物中揭示了特定神經元類型的電壓動態、振蕩耦合以及海馬中theta和beta波的雙向傳播特性，為理解大腦網絡動態提供了新的工具和視角。

當前研究主要集中在特定行為任務下的神經振蕩和電壓動態，未來還需在多種認知任務、病理模型中驗證該技術的應用潛力。

文章來源

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.06.028