神经结构功能整体解决方案

神经环路功能解决方案

1、光遗传系统实现神经环路调控

神经信号调控传统采用药物或电刺激方式，前沿的神经调控方式为光遗传神经调控。光遗传学结合遗传学手段选择性在某类细胞上表达光敏感通道，通过活体组织内光传送技术，改变这些细胞的活动及功能。该技术利用分子生物学、病毒生物学等手段，将外源光敏感蛋白基因导入活细胞中，在细胞膜结构上表达此光敏蛋白；然后通过特定波长光的照射，光敏蛋白即可激活与关闭，从而控制细胞膜上离子通道的开与关，改变细胞膜电压的变化进而引起神经元的激活或抑制。

因此光遗传学为精确定位与剖析不同类型神经元在神经环路及神经系统疾病、精神疾病中的作用提供了有力的研究手段。光遗传刺激系统通过多通道控制器来控制 LED光源，利用光来激活或者抑制特定神经元的活性，可视化地调控和记录细胞亚群的反应，然后让细胞将这种反应进行重现，从而明确这一类细胞对行为的功能性作用。运用此技术广泛用于研究该神经网络功能，特别适用于在体、甚至清醒动物行为学实验。

光纤记录系统

光纤记录系统的目的是实时检测细胞的活性变化。基于钙离子浓度变化的荧光成像技术被广泛用来记录神经元活性。以 GFP 为例，钙离子浓度敏感蛋白 GCaMP 通过荧光信号强度变化可以很好地表征神经元的活性，其中 GCaMP6 具有很高的时间灵敏度和荧光信号信噪比。将 GCaMP 表达到神经元中，然后通过光纤激发 GCaMP 的荧光并实时监测记录荧光信号强度的方法即光纤记录。Plexon Photometry 在体光纤记录系统的激发光目前主要是470nm (GFP)。

在体多通道电生理记录系统

多通道记录系统主要是通过多通道电极阵列植入到实验动物头部，将神经元的胞外高频的动作电位信号以及记录电极所在脑区的局部场电位信号实时采集出来，通过多级脑电信号放大，把几微伏的脑电信号放大到几伏，然后经过数模转换，把信号传输到计算机中，通过软件分析所有信号，实现实时分析，为脑中群体神经元编码、存储和提取神经信息提供了时间上的同步，也反映了大脑神经网络信息处理的不同活动模式。所有放大后的脑电信号也可以被记录下来，然后通过系统中传感器得到动物体的准确空间位置，并且相关信息与脑电信息被同步后存入计算机。

光遗传、光纤记录、在体电生理记录等神经功能调控与记录技术可以结合使用，全方位采集活体大小鼠在清醒或者其他状态下的神经功能信息。以下以“光遗传在体电生理记录小鼠纹状体D1中型多棘神经元的活动模式”为例。

光遗传-在体多通道电生理记录系统,用其对直接通路中型多棘神经元(D1-MSN)的活动模式进行在体记录。方法:首先向D1-Cre转基因小鼠纹状体背外侧注射携带光敏阳离子通道channelrhodopsin-2(ChR2)基因的腺相关病毒,使ChR2在D1-MSN上通过Cre重组酶的同源重组而特异性表达。之后通过光刺激和电生理记录相结合的方式在体记录D1-MSN的活动模式。结果:D1-Cre小鼠纹状体在注射病毒后通过荧光显微镜观察,可发现明显的荧光信号,证明病毒正常表达。通过光遗传-在体多通道光电极记录系统,本研究成功地在纹状体内用光刺激诱发了MSN的电活动。通过对记录的电信号进行数据分析,证明了光刺激诱发的电信号确实来自于D1-MSN,成功地对D1-MSN活动模式进行了在体记录。结果提示光遗传-在体多通道光电极记录系统是一种对纹状体D1-MSN电活动模式记录的可选新方法。

神经环路结构解决方案

光透明介观成像神经环路结构成像：通过神经荧光标记+光透明+光片介观成像多项前沿技术的联用可以获得神经环路的投射和神经胞体定位、分布等神经环路结构信息。

嗜神经病毒标记与转基因荧光神经标记

嗜神经病毒是一类能感染神经细胞，且能沿神经环路传播增殖的病毒。利用嗜神经病毒作为示踪工具，可以实现神经回路跨突触示踪及神经元投射示踪。嗜神经病毒具有高特异、灵敏和灵活的标记和有效地研究神经元网络，经改造的嗜神经病毒包括腺相关病毒AAV、伪狂犬病毒PRV、狂犬病毒以及其它可感染神经元的慢病毒、逆转录病毒、腺病毒和腺相关病毒等。

转基因荧光标记技术通过转基因方法可对特异性或非特异性神经元进行荧光标记。转基因荧光适用于包括果蝇、斑马鱼、小鼠、大鼠、灵长类等在内的各种模式动物，可以研究在正常、疾病及发育过程的各种状态下的神经环路、神经投射、神经胞体等方面内容。

光透明技术

光透明技术是一种让生物组织具有光学透明性的新型技术。而正常的生物组织中成分复杂，如蛋白质、脂质和血红素等物质对光的传播造成阻碍。光透明技术就是使用一种试剂或几种试剂组成的混合液通过浸泡、电泳或灌注等处理方式,使大块组织或完整器官达到视觉下透明或光学仪器下可见的效果。

LSI VTC离体光透明法

通过结合多种荧光标记手段及光片照明成像，LSI VTC方法可以实现小鼠全脑及胚胎的三维神经结构信息的获取。同时，LSI VTC方法对脂溶性膜染料Dil良好的兼容性，使得其能够实现正常小鼠脑、脊髓、脾等多种组织器官的三维血管网的重构，以及糖尿病小鼠肾小球病理结构的三维可视化和定量统计分析。LSI VTC所具备的快速透明能力、对包括脂溶性染料在内的多种荧光色团的兼容性及良好的形态保持等优势，有望为多种组织器官的形态学与病理学研究提供重要的工具。

LSI VFC离体光透明法

LSI VFC方法结合光片照明成像可以实现小鼠全脑、肌肉、肾脏等多种完整器官的神经与血管成像。由于其优秀的透明及荧光保持能力，LSI VFC方法在大体积生物组织透明成像上具有显著的优势，并且在透明生物组织的长期重复成像和弱荧光信号成像上具有极大的应用价值。

激光片层扫描成像技术

光片显微镜与传统显微镜的不同在于激发光的照明方式。它的照明光是一张与成像面平行的薄薄的“光片”，只有焦平面的样品被照亮，而其上下的样品不受影响。

激光片层扫描成像技术优势：

提高了图像和背景的反差(Signal-to-Background Ratio) 和轴向分辨率：光片照明技术保证了焦平面上下的样品不会被激发，具备和共聚焦显微镜类似的光学切片功能；

减少了光漂白和光毒性：与传统的荧光照明技术相比，光毒性可以被降低20-100倍，这样就能在更接近生理状态的条件下，对活体生物样品进行长时间的三维成像；与激光共聚焦和双光子显微镜使用低QE的PMT的点扫描成像相比，光片显微镜使用高QE的CCD或sCMOS相机进行面成像，大大提高了成像速度和图像的信噪比。共聚焦需要几分钟甚至几小时才能拍完的样品，用光片显微镜只需要几秒到几分钟。因此，光片显微镜也特别适合用于大样品成像。

神经结构三维成像方案：

全脑神经示踪三维成像

全脑神经胞体三维成像

神经环路的功能与结构研究的意义

神经元是神经系统的基本结构和机能单位。大脑由上百亿个神经元组成，堪称人类Z复杂的器官。以大脑皮质为例，大脑皮质（即大脑表层）主要由两类神经细胞构成，一类是兴奋性神经细胞，一类是抑制性神经细胞。大脑内的兴奋性神经递质主要是谷氨酸，而抑制性神经递质主要是γ-氨基丁酸。兴奋性和抑制性的动态平衡（E/I balance）是大脑正常功能和可塑性形成和维持的重要基础，如果这个平衡被打破则会诱发癫痫、帕金森、抑郁症等多种神经疾病。因此，兴奋性突触和抑制性突触的相互调控过程至关重要。

通过光遗传、光纤记录、在体电生理记录等神经功能调控与记录技术可以结合使用，全方位采集活体大小鼠在清醒或者其他状态下的神经环路功能信息。通过神经荧光标记+光透明+光片介观成像+全脑大数据处理分析技术联用，通过神经荧光标记+光透明+光片介观成像多项前沿技术的联用可以获得神经环路的投射和神经胞体定位、分布等神经环路结构信息。