重要综述：用双光子全息光遗传学探测神经编码

光遗传学 是一种将光控技术与遗传学相结合以进行神经活动调控的技术。

通过光激活或抑制神经元活性实现对行为的精准调控。由于脑组织是高度散射的介质，严重衰减了可见光对光遗传的激发效率。 

光遗传蛋白的稀疏表达和单光子照射可以激活定义的神经元集合，但其空间分辨率较低，无法全面地理解高精度的神经活动或进行神经计算，而多光子全息光遗传学有望解决这一挑战。 

通过提供特定功能的神经元集合在空间和时间中重现某种神经活动模式的能力，为神经科学家揭示了编码感觉、认知和行为相关的神经代码基本机制。

近日， 加州大学伯克利分校 海伦威尔斯神经科学研究所Hillel Adesnik与Lamiae Abdeladim在   Nature Neuroscience   联合发表了题为  “Probing neural codes with two-photon holographic optogenetics”  的综述。 

该文总结了多光子全息光遗传学的最新进展及其可扩展的应用范围，突出了重要的技术挑战，并概述了它可以执行的测试和验证大脑功能的关键理论模型。

1.多光子光遗传学面临的突出挑战 

多光子全息光遗传学  建立了实验神经科学和理论神经科学之间的桥梁，在精准控制大脑与功能恢复之间起到巨大作用。 

为控制某个亚型中单个神经元，必须在空间上将光或视蛋白的表达限制在选定的神经元。具体分为两个关键点： 

（1）将光聚焦在散射组织中单个神经元上； 

（2）同时或几乎同时（在几毫秒内）照亮许多神经元。 

多光子激发解决了首个挑战，而全息成像解决了第二个挑战。在过去的15年里，光遗传学给实验神经科学带来了革命性改变。

然而，在多光子全息光遗传学中仍存几个关键的技术和概念挑战，包括：  实现“真正的”单细胞分辨率，增加可控集成神经系统规模的策略，中尺度多光子全息光遗传学诊断，大脑深处的多光子光遗传学控制，自由行为动物的多光子光遗传学。  从而，将扩大多光子光遗传学效用和提高其精度的范围。 

2.全息神经元扰动的优化设计 

多光子全息光遗传学的精度提供了共同激活视场内任意神经元组合的能力，使真正大量可能的刺激模式成为可能。  通过人工将某些神经元的活动与其他神经元的持续活动或特定的行为联系起来，以因果关系的方式检验神经元间的连接如何导致种群动态或行为的假设。 

考虑到某些网络表现出吸引力动力学或多重稳定性的潜能，结合神经扰动来优化设计行为任务。人们可能会故意研究具有极稀疏时空表征特征的网络(如V1的自然视觉刺激)，  这将使稀疏全息光遗传学在技术上更容易再现内源性动力学。

3.探索感觉、认知和动作的神经密码 

多光子全息光遗传学为探索神经代码的基本逻辑和语法提供实验手段，可能帮助解决一小部分问题，  包括视觉感知中的同步性和峰值时间，噪声和噪声相关性对感觉的影响，探索神经活动对生理模式功能的影响，探索突触可塑性在学习过程中对神经网络的规律和影响。 

使用全息光遗传学在学习之前、期间和之后获取功能网络连接的时间“快照”，通过一次刺激一个或几个神经元来映射网络结构，从网络中所有其他神经元的活动变化进行推断。此外，结合 双光子成像 技术，光遗传学将有助于对行为动物进行无电极大规模的“单细胞分辨率”水平读写。 

总 结 

多光子全息光遗传学可能成为治疗性光学-脑界面的基础。  利用全息光遗传学的精确性扰动，更有效地产生神经动力学，为那些视觉或听觉障碍的人创建有效的皮层感觉假体达到人工感知，此外，较高皮层区域的全息假体可以通过闭环空间精确的干预来治疗认知障碍。 

Fig. 1 two-photon holographic optogenetics 

Fig. 2 improving the effective spatial fidelity of multiphoton holographic optogenetics 

Fig. 3 Approaches to extend multiphoton holographic optogenetics 

Fig. 4 Multiple approaches to using multiphoton optogenetics to reveal neural codes underlying behavior 

Fig. 5 examples of using multiphoton holographic optogenetics to address neural codes and plasticity rules 

参考文献

Adesnik H, Abdeladim L. Probing neural codes with two-photon holographic optogenetics [published online ahead of print, 2021 Aug 16]. Nat Neurosci. 2021;10.1038/s41593-021-00902-9. 

编译作者：香蕉牛奶（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）