10月29日，中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心的王凱研究團隊宣布了一項重大突破：他們成功研發出一種新型三維電壓成像技術，顯著提升了電壓成像的通量，使得在清醒動物體內對三維神經網絡進行功能連接分析成為現實。這一創新技術不僅為電壓成像技術的應用奠定了堅實基礎，也為神經科學研究領域帶來了全新的研究工具。

近日，該團隊在《自然-方法》（Nature Methods）期刊上發表了一篇題為“利用共聚焦光場顯微鏡實現小鼠大腦神經元群體的三維電壓成像”的研究論文。該研究詳細介紹了一種新型三維光場顯微成像技術，該技術能夠高速同步記錄小鼠大腦三維神經網絡中數百個神經元的膜電位變化，為深入解析神經網絡的信息處理機制提供了有力支持。

光場成像技術通常需要高靈敏度、大靶面的相機來捕捉多個視角的投影圖像。然而，由于相機的數據帶寬限制，大靶面相機的幀率往往無法滿足電壓成像的速度要求。針對這一難題，王凱團隊提出了通過降低采集圖像的動態范圍來提高幀率的解決方案。他們利用廣義共聚焦原理，高選擇性濾除背景以降低信號基線，并整合多個視角的信息，成功實現了利用低動態范圍相機高效捕捉微弱的電壓信號。

為了進一步優化系統性能，該團隊深入探討了光場成像中的噪聲來源，并針對性地提出了基于單振鏡雙面掃描的共聚焦光場成像技術。這一技術結合高數值孔徑的光照明策略和新數據處理方法，將系統噪聲降低至泊松噪聲理論極限，從而顯著提高了電壓成像的信噪比。

此外，為了最大化熒光信號的捕獲效率并實現長時程持續電壓成像，該團隊還優化了系統的光學效率。他們通過自主設計定制密集排列的微透鏡陣列并最小化光學元件的數量，使系統的通光效率比前期工作提高了約3倍。

最終，王凱團隊將這些創新成果整合在新型共聚焦光場顯微鏡中，實現了對清醒小鼠大腦三維視場中數百個神經元電壓信號的同步記錄，并以每秒400幀的速度連續成像超過20分鐘。這一新型顯微鏡不僅彌補了傳統電壓成像在成像通量、信噪比與成像時長上的不足，還極大地拓展了電壓成像的應用范圍。

為了驗證該技術的可靠性和準確性，王凱團隊記錄了清醒小鼠初級視皮層中數百個神經元對光柵視覺刺激的反應特性。通過對神經元動作電位發放情況的統計分析，他們成功鑒別出具有不同方向選擇性的神經元，這些神經元的調諧特征與已知的區域神經元特性相符。

進一步地，該團隊還對數百個神經元構成的三維神經網絡進行了功能連接分析。他們發現，與膜片鉗記錄相比，電壓成像技術不僅可以在清醒動物中開展研究，而且通量提高了約100倍。分析結果表明，神經元之間同時存在興奮性和抑制性功能連接，且在短距離內抑制性連接強于興奮性連接。這種興奮-抑制的連接差異在三維空間上呈現出近似垂直于皮層表面的圓柱體形態。