插图该文 | 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).
第Sivaganga者：齐和顺 教授，郭热血 科学研究员（共同Sivaganga）
通信译者：罗敏敏 副教授，付玲 副教授
科学研究背景
神经科学科学研究是目前各国必争之地战略最前沿，理解神经控制系统的内部结构和机能是21世纪最具诱惑力的研究课题问题。脊髓元是脊髓控制系统最基本的内部结构与机能单位，其公益激活状态和神经控制系统生理机能息息相关。它们透过神经元彼此交织形成脊髓信息传递、处理和整合的脊髓二环。神经科学科学研究中，高效率、低受损、高次元解析度地动态历史记录和驾驭犯罪行为鸟类特异类别神经元的公益活动是一项此基础且重要的组织工作，是探求犯罪行为鸟类脊髓二环内部结构相连、生理机能的必要手段，是脑疾病科学研究与治疗的此基础。
在脊髓二环机能科学研究中，须要透过监控与驾驭神经元的公益活动来探求脊髓二环与犯罪行为机能的因果关系。监控神经元公益活动常透过电生理历史记录、萤光光学等方式同时实现，驾驭神经元公益活动则一般采用光生物学控制技术。现有光生物学驾驭设备和神经元公益活动监控控制系统大部分是相互独立、合二为一组织工作的。不过，为了科学研究脊髓二环中神经元的相连、公益活动与机能的两者之间、光生物学输入意见反馈效应，须要Lanvollon生物学控制技术与神经元公益活动的监控控制技术紧密结合起来。如前所述lenses的体外电生理历史记录方式能透过母吕氏法以高时间解析度历史记录Bokaro类别神经元的电公益活动并展开光生物学驾驭，但难以长时间历史记录同一神经元，也不能直接检测脊髓递质公益活动。萤光光学的方式具备细胞解析度，但其深脑光学时受损较大，且同时探测与操纵神经元类别的数量有限。
缆线历史记录是一种应用的群体神经元公益活动监控方式。大脑中包含各种类别的神经元，透过民泽或脊髓递质relatives。在脊髓二环机能科学研究中，须要对多种类别神经元的钙公益活动或脊髓递质公益活动展开监控与驾驭。不过，多种（色）神经元公益活动历史记录紧密结合光生物学控制技术具备诱惑力，因为钙离子或脊髓递质氯化物如前所述绿色萤光蛋白质或红色萤光蛋白质，其发射谱与光生物学蛋白质的唤起光谱接近，导致mA数量级的光生物学唤起光与些微萤光信号产生严重差模，只能对神经元公益活动展开点阵历史记录和驾驭。
学术论文看点
为同时实现脊髓元公益活动的珠光历史记录与光生物学驾驭，浙江大学付玲副教授项目组和北京神经科学与类神经科学研究中心罗敏敏副教授项目组合作，研制了一种全缆线珠光历史记录和光遗传基因驾驭控制系统，第一次在自由公益活动小鼠上同时同时实现深脑神经元的钙公益活动和多巴胺递质公益活动的探测、光生物学驾驭，发现伏隔核脑区的神经元钙公益活动和多巴胺递质公益活动对原初奖赏以及上游腹侧被盖区的光生物学输入存在明显的反应差异。
该控制系统设计如图1所示，透过自主设计多分支缆线束同时实现唤起光与萤光的全缆线传输，更适用于自由公益活动小鼠以及多个通道的唤起和探测；覆盖可见光光谱区域，同时实现珠光唤起（450 nm，561 nm），提高光谱间隔以抑制光生物学唤起光（660 nm）的差模；紧密结合锁相放大控制技术，同时实现珠光萤光信号的探测，进一步抑制光生物学唤起光的差模。该控制系统相对传统缆线历史记录控制系统具备更高的萤光收集能力。在体外上展开光生物学刺激并动态历史记录珠光萤光信号时，珠光萤光探测通道不存在差模现象和刺激伪迹。
图1 全缆线珠光历史记录和光遗传基因驾驭控制系统。（a）多分支缆线束示意图；（b）多分支缆线束端面示意图；（c）控制系统示意图；（d）利用锁相放大控制技术提取萤光信号
将该控制系统应用到自由公益活动小鼠上，能对自由公益活动小鼠伏隔核（NAc）神经元钙信号以及多巴胺递质公益活动展开动态监控，发现两者对奖赏的反应具备时程的差异。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（会导致下游二环神经元公益活动和生理机能的差异性），对VTA-NAc多巴胺能神经元末梢分别展开不同频率的光生物学刺激时，观察到多巴胺递质公益活动相对NAc神经元钙公益活动在受到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脑区多巴胺神经元透过phasic刺激迅速释放。这是第一次在自由公益活动小鼠上同时实现深脑神经元活动的珠光历史记录与光遗传基因操纵。该控制系统能监控不同类别神经元的公益活动和光遗传基因回路干预所产生的意见反馈效应，为脊髓二环的因果科学研究提供一种有效的科学研究工具。此外，该控制系统同时实现了光生物学闭环回路操作，可用于脑疾病的科学研究，如癫痫的监控与治疗。
图2 自由公益活动小鼠伏隔核神经元公益活动的监控与驾驭。（a）神经元钙信号和多巴胺递质公益活动的双色历史记录；（b）光遗传基因驾驭和脊髓公益活动的双色历史记录
该组织工作以“All-fiber-transmission photometry for simultaneous optogenetic stimulation and multi-color neuronal activity recording”为题作为插图该文发表在Opto-Electronic Advances （光电进展）2022年第12期。所有鸟类实验均在北京生命科学科学研究所实验鸟类管理委员会的监督与许可下完成。
科学研究项目组简介
齐和顺 教授
北京生命科学科学研究所影像中心主任。2021年获浙江大学生物医学工程教授学位，科学研究生期间在武汉光电国家科学研究中心和北京生命科学科学研究所展开联合培养。主要科学研究方向为光学监控与操纵方式在犯罪行为小鼠前扣带回机能科学研究中的应用。
郭热血 科学研究员
首都医科大学与北京神经科学与类神经科学研究中心双聘科学研究员（平台）。2015年获浙江大学光学工程教授学位，科学研究生期间在武汉光电国家科学研究中心和北京生命科学科学研究所展开联合培养，合作开发的缆线历史记录控制系统已在国内外100多个脊髓科学的实验室应用，产出学术论文100多篇。科学研究方向主要包括光学方式用于在体脊髓公益活动检测的控制技术和控制系统科学研究，相关组织工作发表Nature Communications等期刊。
罗敏敏 副教授
北京神经科学与类神经科学研究中心共同主任、资深科学研究员，北京生命科学科学研究所资深科学研究员，清华大学副教授、教授生导师。现任中国脊髓科学会副理事长，Neuron杂志编委会成员等职务。长期专注于鸟类的奖赏惩罚的脊髓机制及其相关精神疾病的药物靶点科学研究，集中探索感觉和奖惩信号处理的脊髓机制及相关二环与人类精神疾病的关系；在中缝背核五羟色胺脊髓控制系统和内侧缰核—脚间核胆碱能脊髓投射的电生理和犯罪行为机制的科学研究上取得了国际公认的创新性成果。在Science、Cell、Neuron等期刊发表学术论文80多篇。
付玲 副教授
浙江大学武汉光电国家科学研究中心副教授，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。专注于体外光学显微控制技术与生物医学应用的交叉科学研究，在缆线内窥显微光学的原理、器件和仪器等方面开展了系列科学研究组织工作，在Neuron等期刊发表学术论文多篇，核心控制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，Lanvollon学显微镜控制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。
学术论文原文
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
光电科学
Opto-Electronic Advances (OEA，光电进展) 是一本同行评议的英文学术月刊，创刊于2018年3月，已被SCI、EI、Scopus、DOAJ、CA和ICI等数据库收录，位于JCR Q1区，中科院一区。由中国科学院主管，中国科学院光电控制技术科学研究所主办并出版，面向全球发行。OEA针对光电领域的此基础应用科学研究成果，快速报道国内外最新的科研热点进展。期刊栏目包括原创学术论文、综述和快讯等，欢迎投稿！
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