CLAOP全光生理系统揭示大脑跨层功能连接规律
近日，清华-IDG/麦戈文脑科学研究院孔令杰、钟毅课题组与北京人工智能研究院雷博课题组协同攻关，在Cell Reports发表题为“Linking functional activity and connectivity of neuronal circuits via fast cross-layer all-optical physiology”的研究论文。团队搭建出一种全新的跨层全光生理平台（CLAOP）。该系统将时空复用成像与全息光遗传操控进行深度融合，突破了传统硬件在惯性与切换速度上的瓶颈，使得跨层“读写”能够以毫秒级时序与单细胞精度形成闭环。借助CLAOP作为高通量解析工具，研究者在活体小鼠视觉与体感皮层中揭示跨层神经元的因果组构规律：即“功能相似即连接”（Like-to-like），为理解大脑三维神经网络的功能组织方式提供了关键技术支撑。
解析大脑环路中的功能连接（functional connectivity）是理解脑系统如何工作的重要抓手。要追踪信息在三维神经网络中的传递与处理，研究者既要“记录”神经元活动，也要“控制”神经元活动，才能检验神经元之间真实存在的功能联系。全光生理技术（All-Optical Physiology, AOP）将双光子成像与光遗传学结合，因而成为研究神经环路的理想方案。不过，大脑天然呈现层状拓扑结构：当AOP需要面向垂直维度开展跨层（Cross-layer）回路研究时，现有系统常受到变焦元件物理惯性的限制，导致不同深度焦平面切换通常伴随毫秒级延迟，从而难以捕捉瞬态跨层同步信号。针对这一瓶颈，本文提出的CLAOP系统，通过双光路时空复用实现高速跨层“读”，并通过全息双光子光遗传实现高空间分辨率“写”，从根本上突破了同步读写在时间与空间上的制约。
图1. CLAOP系统原理及在揭示功能活动与连接关系的应用
CLAOP通过以下创新手段实现跨层成像的时空分辨率与光遗传操控精度的协同提升：
1. 极低延迟跨层成像：系统将激发光束（波长920 nm）拆分为两路，并引入约6.25 ns的时间间隔，随后将两束光聚焦到不同深度的焦平面（轴向间隔最高可达530 µm），从而完成基于时空复用的信号激发。结合高速解复用算法，系统可在一次扫描中并行获得两个平面图像，进而实现双平面同步记录。
2. 精准深层光操控：团队采用全息双光子光遗传技术（波长1040 nm），配合空间光调制器（SLM）生成三维全息光斑，实现对深层神经元的单神经元级激活。与跨层成像联用后，系统在最高396 Hz的成像帧率下，能够同步记录被精确光操控后深层与浅层神经元的反应。
利用CLAOP在时空分辨率与读写能力上的优势，研究团队在小鼠初级视觉皮层（V1）、体感皮层（S1）及海马区（Hippocampus）开展在体实验，从多角度验证跨层神经回路的功能架构。
图2. 利用CLAOP在感觉皮层（S1）进行跨层光遗传操控，揭示功能活动与连接强度的关联
在初级视觉皮层（V1），研究者借助CLAOP同时观测浅层与深层神经元对移动光栅视觉刺激的响应。随后，他们用全息光遗传学对具有特定朝向选择性的深层神经元进行精准激活，发现这种扰动会显著改变跨层非靶向神经元的朝向选择性。进一步的定量结果显示，神经元间的功能活动相关性与其跨层连接强度呈显著正相关，为“功能相似即连接”（Like-to-like）的组构原则提供了全光证据，并表明该规律在跨层回路中具有普遍性。在体感皮层（S1），团队结合跑步机触觉刺激实验绘制了大规模跨层连接图谱，结果显示连接概率会随物理距离增大而下降，同时仍遵循功能耦合的组织规律。与此同时，凭借出色的跨层成像时间分辨率，CLAOP在捕获毫秒级瞬态信号方面体现出明显优势。通过引入新型电压探针（JEDI-2P），系统不仅能对海马区神经元动作电位进行高速跨层记录，还能清晰捕捉光遗传刺激诱发的靶向神经元去极化事件及非靶向神经元的响应。这种电压成像与光遗传操控的组合能力，使得在更细粒度的时间尺度上解析神经元相互作用成为可能。
CLAOP首次以全光方式提供高通量证据，支持神经元功能活动（Activity）与连接（Connectivity）之间的关联关系，并为在体、面向高通量地解析大脑跨层因果连接提供了新的通用策略。
清华大学精密仪器系刘驰、生命科学学院博士生郝悦钧为本文共同第一作者。北京智源人工智能研究院雷博研究员、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院孔令杰教授与钟毅教授担任共同通讯作者。清华大学精密仪器系唐浩在本研究中做出了重要贡献。本文特别感谢清华大学时松海教授及其课题组的林阳博士，以及Janelia Research Campus, HHMI的Ilya Kolb博士等提供的支持与建议。本项目得到“科技创新2030-脑科学与类脑研究重大项目”、国家杰出青年科学基金以及清华-麦戈文“Brain+X”项目资助。