光学电压成像技术TEMPO揭示行为哺乳动物多神经元类型的高频电压动态

本研究通过开发TEMPO(跨膜光学电信号测量)技术，实现了对自由活动和头部固定行为动物中特定神经元类型跨膜电压动态的高灵敏度成像。研究人员利用基因编码电压指示器(GEVI)和光纤光度计/uSMAART系统，首次捕捉到高达100Hz的神经振荡，揭示了海马θ波和β波的双向传播特性，以及视觉皮层中兴奋-抑制神经元在γ波和3-7Hz波中的相互作用。这项发表在《Cell》的研究为理解健康与疾病状态下不同类型神经元的高频电活动相互作用提供了重要工具。

　　

在神经科学研究中，理解不同类型神经元如何通过电活动相互作用一直是重大挑战。传统电生理记录技术难以区分特定细胞类型的贡献，而钙成像又无法准确反映快速的膜电位变化。特别是对于高频神经振荡（如γ波30-100Hz和β波15-30Hz）——这些节律与认知功能、运动控制和多种神经系统疾病密切相关，但现有技术缺乏足够灵敏度在单次试验中捕捉这些快速动态。

斯坦福大学(Stanford University)James H. Clark中心的研究团队在《Cell》发表重要成果，开发了TEMPO（跨膜光学电信号测量）技术体系。这项研究包含两大创新平台：超灵敏光纤光度计uSMAART可实现自由活动动物的双神经元类型记录；TEMPO介观显微镜能在头部固定动物中实现8mm视野的双细胞类型电压成像。通过优化基因编码电压指示器(GEVI)和去相干照明系统，该技术将电压检测灵敏度提高100倍，首次实现了对δ波（0.5-4Hz）与γ波耦合、海马θ波（5-9Hz）双向传播等现象的细胞类型特异性解析。

关键技术包括：

1. 超灵敏光纤系统uSMAART采用主动去相干模块消除激光模式跳变噪声，结合卷积滤波算法实现频率依赖性信号分离

2. TEMPO介观显微镜系统配备0.47NA大视野物镜和双sCMOS相机，支持130-300fps高速成像

3. 开发Ai218转基因报告小鼠实现Ace-mNeon1电压传感器与mRuby3参考荧光蛋白的稳定共表达

4. 使用PHP.eB血清型AAV病毒实现全脑范围的ASAP3和Varnam2电压指示器表达

5. 建立新型卷积解混算法，通过Wiener滤波消除血流动力学等伪影，保留高频神经信号

主要研究发现：

"高频率电压动态在自由行为动物中的表现"：

uSMAART记录显示，海马PV中间神经元在运动时θ、β和γ频段活动显著增强（p<0.05，n=6），与局部场电位(LFP)相干性提高。特别在癫痫模型中，观察到PV细胞在发作期呈现双相动态：先100ms去极化，随后1s超极化。

"特定神经元类型中的跨频率耦合"：

麻醉小鼠视觉皮层PV细胞的δ波上状态中，存在30-60Hz和70-110Hz两个γ频段活动，分别位于δ波峰值前后（p<10^-4）。自由活动小鼠海马PV细胞显示θ波对γ活动的相位调控，与LFPγ活动存在相位差。

"双神经元类型记录揭示的视觉诱发活动"：

ASAP3标记的PV细胞在视觉刺激期间显示γ波段（30-70Hz）活动，而Varnam2标记的锥体细胞主要在刺激后产生3-7Hz振荡。通过校正GEVI动力学延迟，发现锥体细胞去极化比PV细胞早2.3ms（p=0.08）。

"麻醉小鼠中的传播波与δ-γ耦合"：

TEMPO成像显示δ波以12-15.7mm/s从前向后传播，而嵌套的γ波（30-60Hz）以225-279mm/s从外侧向内侧传播，方向正交于载体δ波。

"运动诱发的海马θ和β波"：

发现海马β波（15-30Hz）具有两种正交传播模式（CA3→CA1和隔区→颞区，速度220mm/s）。θ波在PV细胞和隔区投射锥体细胞中分别以36mm/s和87mm/s速度传播，且PV细胞显示双向传播特性。

研究结论与意义：

1. 技术突破：TEMPO技术实现了对特定神经元类型高频电压动态的首个单次试验检测，克服了传统电生理和钙成像的局限性

2. 机制发现：揭示了海马θ波和β波的双向传播特性，为神经信息流向研究提供新视角

3. 疾病关联：在癫痫模型中观察到PV细胞的动态变化，为理解发作机制提供线索

4. 工具创新：开发的Ai218小鼠和PHP.eB病毒系统为神经环路研究提供标准化工具

5. 理论价值：发现耦合波动不必同向传播（如δ与γ波），拓展了对神经振荡时空模式的理解

这项研究建立的TEMPO技术平台，为解析认知功能与神经系统疾病中的细胞类型特异性电活动机制提供了强大工具，未来在神经退行性疾病、精神障碍和癫痫等研究领域具有广泛应用前景。