Nat Commun丨瞿佳男、Julie L. Semmelhack联合团队开发出全光学脑神经环路精准调控与读取新方法|信号|光子|全光学|瞿佳男|神经元|脑神经

香港科技大学（ HKUST ）一支跨学科研究团队开发出一种基于激光的神经调控技术，实现了对大脑活动进行更高精度的监测与操控，同时消除了全光学神经科学实验中长期存在的误差来源。该研究成果发表于 Nature Communications ，题为： Active pixel power control for crosstalk-free all-optical neural interrogation ，由电子与计算机工程系瞿佳男教授团队与生命科学部Julie L. Semmelhack教授团队合作完成。

“全光学”脑科学研究

近年来，两类关键技术深刻改变了神经科学研究：一是基因编码的神经活动传感器（如钙离子指示剂），可通过荧光信号反映神经元的活动状态；二是光遗传学执行器（如基因编码光敏感通道蛋白），允许研究人员用光精准激活或抑制特定神经元。这些工具结合现代显微成像技术实现了对神经环路的“全光学“探测，以高速和单细胞分辨率同步观察并操控选定神经元。从而帮助神经科学家识别参与运动、感知与情绪等行为过程的特定神经元，并解析其作用。然而，尽管前景广阔，全光学探测仍面临一个关键技术障碍：串扰（ crosstalk ）问题。由于钙离子指示剂和光敏感通道蛋白都具有很宽的双光子吸收光谱，实验中用于钙信号成像的高强度红外激光常常意外激活光敏感通道蛋白，导致本用于成像记录的激光诱发了神经元放电，产生伪信号。这种人为诱发的活动可在下游神经环路中传播，使研究人员难以区分真实的神经信号与实验伪影。

主动像素功率控制：实时智能“调光器”

为解决上述问题，港科大团队开发了“主动像素功率控制 ” （ Active Pixel Power Control, APPC ）技术，对成像激光进行实时逐像素的精密功率调整。系统根据光敏感通道蛋白表达位置图，通过软件生成对应的像素级功率调控信号，借助高速声光调制器动态调节扫描至每个像素的激光强度。

在双光子成像过程中，当激光扫描至表达光敏感通道蛋白的神经元区域时，系统会根据蛋白表达量降低甚至关闭该处激光功率，从而避免成像过程意外激活这些细胞；其余区域则保持正常照明，确保高质量的神经活动记录。这一调整与扫描过程高速同步，使得研究人员在常规成像的同时，系统可自动规避易发生串扰的区域。 APPC 的一个重要优势在于其与全球广泛使用的标准双光子显微镜完全兼容，无需更换现有设备即可部署使用，并可实现仅用同一台飞秒激光器下的无串扰神经环路“全光学探测”。

实验验证与更广泛应用前景

研究团队在幼年斑马鱼中验证了 APPC 的有效性。斑马鱼作为透明脊椎动物模型，在脑科学研究中应用广泛。实验采用经过基因改造、在特定中脑神经元中同时表达钙指示剂与光敏感通道蛋白的斑马鱼。结果显示，在标准成像功率下，即使未施加刻意刺激，光敏感通道蛋白阳性神经元仍会被显著激活；而在启用 APPC 选择性降低这些神经元区域的激光功率后，其表现活性与对照神经元无异。这表明 APPC 在有效消除串扰的同时，完整保留了其他区域的成像性能。尽管当前在斑马鱼中完成验证， APPC 策略可便捷拓展至包括小鼠在内的其它动物模型，具有广泛的应用潜力。通过融合精密光学技术与在体神经环路研究，港科大团队的方法成功实现了光学“读取”（成像）与光学“写入”（操控）的有效分离，使全光学实验的结果更为可靠、易于解读。研究团队预期， APPC 将助力更精准地揭示神经环路调控行为的机制，并推动下一代光学神经调控技术的发展。

瞿佳男教授与朱莉·塞梅尔哈克教授为该论文共同通讯作者；电子与计算机工程系博士生严格维与生命科学部田广南博士为共同第一作者。

https://www.nature.com/articles/s41467-026-69419-8

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（*排名不分先后）