杜久林　畢國強(qiáng)　駱清銘　徐富強(qiáng)　方 英　王 琛1 中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院神經(jīng)科學(xué)研究所 上海 2000312 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 合肥 2300263 華中科學(xué)技術(shù)大學(xué) 武漢 4300744 中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所 武漢 4300715 國家納米研究中心 北京 1001906 中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心 上海 200031

腦科學(xué)研究新技術(shù)*

杜久林1，6**畢國強(qiáng)2，6駱清銘3，6徐富強(qiáng)4，6方 英5，6王 琛5，6
1 中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院神經(jīng)科學(xué)研究所 上海 200031
2 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 合肥 230026
3 華中科學(xué)技術(shù)大學(xué) 武漢 430074
4 中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所 武漢 430071
5 國家納米研究中心 北京 100190
6 中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心 上海 200031

文章針對(duì)目前腦科學(xué)的發(fā)展需求，就亟需研發(fā)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)方向——“神經(jīng)信號(hào)新型檢測(cè)技術(shù)”“新型顯微成像技術(shù)”“神經(jīng)環(huán)路形態(tài)追蹤和功能操控技術(shù)”和“全腦尺度上神經(jīng)環(huán)路重構(gòu)技術(shù)”進(jìn)行闡述。希望通過國家大型腦科學(xué)研究計(jì)劃的頂層設(shè)計(jì)，集全國之力量，推動(dòng)我國腦科學(xué)核心技術(shù)的研發(fā)，為腦科學(xué)和交叉科學(xué)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)，并打破高端科研儀器長(zhǎng)期為歐美壟斷的局面。

電極陣列，光學(xué)成像，跨突觸神經(jīng)環(huán)路示蹤，光遺傳學(xué)，神經(jīng)環(huán)路重構(gòu)

腦科學(xué)研究的關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元集群活動(dòng)的實(shí)時(shí)觀察，并通過特定神經(jīng)環(huán)路的結(jié)構(gòu)追蹤及其活動(dòng)操縱，研究其對(duì)腦功能的充分性和必要性，進(jìn)而在全腦尺度上解析神經(jīng)環(huán)路的結(jié)構(gòu)和功能。目前通用的神經(jīng)電活動(dòng)觀測(cè)方法是單通道或多通道微電極。這些方法所能記錄到的神經(jīng)元數(shù)量有限，且無法觀察到閾下電位的變化。因而，需要從新材料使用、微小化、光電融合、記錄與刺激融合等方向著手，研制新型神經(jīng)電極陣列。除了用電極直接記錄神經(jīng)電信號(hào)，近年來熒光成像方法也被廣為使用，如在神經(jīng)元內(nèi)表達(dá)對(duì)鈣離子敏感的熒光蛋白分子，通過檢測(cè)因電活動(dòng)而產(chǎn)生的鈣離子濃度的變化來描述電活動(dòng)。這種光學(xué)測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是可同時(shí)觀測(cè)數(shù)百個(gè)神經(jīng)元的電活動(dòng)，缺點(diǎn)是時(shí)間分辨率低（約10-1s）。因此，神經(jīng)科學(xué)界目前高度期望能開發(fā)出新一代對(duì)細(xì)胞膜電位變化敏感、有高信噪比、能分辨單個(gè)動(dòng)作電位（毫秒級(jí)）的熒光分子或納米粒子探針，可以特異性地標(biāo)記各種類型的神經(jīng)元，從而實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率、大范圍神經(jīng)元集群電活動(dòng)的同時(shí)檢測(cè)。同時(shí)，神經(jīng)元功能及其電活動(dòng)的產(chǎn)生依賴于精細(xì)的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，因此需要研發(fā)新一代超高分辨率光學(xué)顯微技術(shù)，在活細(xì)胞甚至活體動(dòng)物上觀察神經(jīng)元的精細(xì)結(jié)構(gòu)。近年來發(fā)展起來了病毒介導(dǎo)的神經(jīng)環(huán)路示蹤技術(shù)和光遺傳學(xué)技術(shù)，前者可以標(biāo)記特定的神經(jīng)元類型和所在的神經(jīng)環(huán)路，后者則可以通過光來控制特定的神經(jīng)元的活動(dòng)。為了研究控制特定神經(jīng)環(huán)路的功能，需要將這兩種技術(shù)有機(jī)結(jié)合，研發(fā)標(biāo)記和操控多種神經(jīng)環(huán)路的新工具。在上述基礎(chǔ)之上，需要研發(fā)全腦尺度上的高通量重構(gòu)技術(shù)，在全腦尺度上重現(xiàn)大腦多個(gè)神經(jīng)環(huán)路的投射結(jié)構(gòu)和精細(xì)聯(lián)結(jié)。下面，逐一闡述上述關(guān)鍵技術(shù)的國際現(xiàn)狀和未來需求。

1 神經(jīng)信號(hào)的新型檢測(cè)技術(shù)

如何實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率、大范圍的神經(jīng)信號(hào)檢測(cè)是目前神經(jīng)科學(xué)研究的主要技術(shù)瓶頸之一。針對(duì)這個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題，有兩種解決方案：（1）植入式神經(jīng)電極，通過神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢灰痣姌O的電流變化從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的記錄。（2）電壓敏感分子和納米熒光探針，通過動(dòng)作電位引起分子和納米粒子熒光信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的記錄。

1.1新型神經(jīng)電極的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

金屬電極陣列（MEA）是目前商用程度較高的植入式神經(jīng)電極。然而，金屬電極技術(shù)具有較低的空間分辨率與生物相容性差等問題。金屬電極的熱噪聲隨著器件尺寸的降低而增大，從而制約了其空間分辨率的提高；金屬電極與生物組織有著較大的力學(xué)差異，使得電極難以實(shí)現(xiàn)與腦組織的良好接觸，同時(shí)易于引起生物體的排異反應(yīng)，最終導(dǎo)致電極的失效。納米材料和納米技術(shù)為發(fā)展新型的神經(jīng)電極技術(shù)提供了重要機(jī)遇。

（1）提高了神經(jīng)電極的空間分辨率?；趫?chǎng)效應(yīng)晶體管器件的神經(jīng)電極能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)神經(jīng)信號(hào)的原位放大，對(duì)提高神經(jīng)檢測(cè)的信噪比有著重要的意義。例如，石墨烯作為一種二維半導(dǎo)體納米材料，具有高的載流子遷移率、力學(xué)強(qiáng)度以及化學(xué)穩(wěn)定性?；谑┚w管器件的神經(jīng)電極陣列有望實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)信號(hào)的高空間分辨率檢測(cè)［1］。另外，利用石墨烯的高透明度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)組織電信號(hào)與光信號(hào)的同時(shí)采集，從而大大提高神經(jīng)分析的可靠性。

（2）提高了神經(jīng)電極的生物相容性及長(zhǎng)效穩(wěn)定性。通過發(fā)展超薄的柔性網(wǎng)狀神經(jīng)電極，可實(shí)現(xiàn)與腦組織的力學(xué)性能相匹配［2］。這種柔性網(wǎng)狀電極可以通過針管注射的方式導(dǎo)入到小鼠的腦組織中。5 周后，超薄柔性網(wǎng)狀電極與神經(jīng)元形成了穩(wěn)定的接觸界面，并且不會(huì)引起小鼠的免疫排斥反應(yīng)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)信息的長(zhǎng)期穩(wěn)定檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)（圖 1a）。

1.2新型電壓敏感探針的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1.2.1電壓敏感分子熒光探針

從 20 世紀(jì) 80 年代末，科學(xué)家就已開始開發(fā)檢測(cè)電壓變化的染料和探針。最早開發(fā)的是有機(jī)熒光染料，其動(dòng)力學(xué)響應(yīng)較快，但靈敏度低，且普遍具有很強(qiáng)的光毒性，因此無法在活體動(dòng)物中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的成像。其后，眾多實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出了不同版本的遺傳編碼電壓指示探針（GEVIs），這些電壓探針可分為 3 種，部分已可應(yīng)用于活體動(dòng)物，如線蟲、果蠅、斑馬魚、哺乳類動(dòng)物等。（1）是將離子通道對(duì)電壓敏感的區(qū)域與熒光蛋白相連，形成一個(gè)嵌和蛋白，當(dāng)細(xì)胞膜電壓發(fā)生改變時(shí)，蛋白構(gòu)象發(fā)生變化，從而導(dǎo)致相連熒光蛋白的發(fā)射光增強(qiáng)或減弱；這類蛋白本底熒光強(qiáng)，但是其動(dòng)力學(xué)響應(yīng)較慢（10 毫秒），且反應(yīng)較小。（2）是近年來開發(fā)的基于視紫紅質(zhì)的探針，視紫紅質(zhì)的吸收譜和發(fā)射譜對(duì)電壓非常敏感，當(dāng)細(xì)胞去極化，熒光蛋白的發(fā)射光就會(huì)減弱，指征電壓變化；其特點(diǎn)是動(dòng)力學(xué)響應(yīng)快，反應(yīng)大，但其熒光量子效率比綠色熒光蛋白（GFP）低 2—3 個(gè)數(shù)量級(jí)，所以需要更高強(qiáng)度的照明光進(jìn)行成像。斯坦福大學(xué) Mark Schnitzer 實(shí)驗(yàn)室最新開發(fā)的電壓敏感熒光蛋白就是基于這一原理，響應(yīng)速度能達(dá)到 0.4 ms；并且其結(jié)合一個(gè)很亮的熒光蛋白，極大地降低了照明光的光強(qiáng)，因此可在活體果蠅及小鼠中檢測(cè)單個(gè)動(dòng)作電位的發(fā)放［3］。（3）可稱為混合式電壓探針，是將電壓敏感有機(jī)分子與熒光蛋白相結(jié)合；當(dāng)細(xì)胞膜電位發(fā)生變化時(shí)，帶電荷的有機(jī)分子會(huì)在細(xì)胞膜中移動(dòng)，從而導(dǎo)致相連的熒光蛋白產(chǎn)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移效應(yīng)，改變其熒光亮度［4］。

1.2.2新型電壓敏感納米熒光探針

相對(duì)于熒光分子，量子點(diǎn)（Quantum Dot， QD）的熒光強(qiáng)度較高，電壓響應(yīng)較快，并且在光照下有著更好的穩(wěn)定性。由于其具有其他材料無可比擬的光、聲、磁、電、熱等特殊性能，QD 在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域已得到成功應(yīng)用。例如，借助于量子限制斯塔克效應(yīng)，QD 可感應(yīng)神經(jīng)元單個(gè)動(dòng)作電位［5］。相比于分子或蛋白類電壓敏感探針，QD 具有更好的光穩(wěn)定性。功能納米顆粒在神經(jīng)活動(dòng)遠(yuǎn)程控制中的作用也日益凸顯。近期，研究人員借助于超順磁性納米顆粒 Fe3O4在交變磁場(chǎng)下產(chǎn)生的熱效應(yīng)，使神經(jīng)元中對(duì)熱敏感的 TRPV1 通道開放，從而達(dá)到遠(yuǎn)程控制大腦神經(jīng)活動(dòng)的目的［6］。這種方法不僅對(duì)活體組織無害，且不受穿透深度限制。目前，中科院神經(jīng)科學(xué)所正開發(fā)基于上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米顆粒（Upconversion Nanoparticles，UCNPs）的電壓敏感探針。其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于 UCNPs 可用活體穿透深度較高的近紅外光（980 nm）激發(fā)。初步研究結(jié)果證實(shí)，所設(shè)計(jì)的納米探針可感應(yīng)細(xì)胞膜電位變化，發(fā)光變化幅度明顯優(yōu)于目前任何一種分子或蛋白類電壓敏感探針?？梢灶A(yù)見未來神經(jīng)科學(xué)家和材料學(xué)家的交叉合作有望取得突破。

目前，QD 對(duì)電壓敏感性的研究尚處于初期，其毒性制約了在活體動(dòng)物上的應(yīng)用。為此，一方面亟需提高QD 對(duì)神經(jīng)電位的檢測(cè)靈敏度。通過將電壓敏感結(jié)構(gòu)域與熒光蛋白或化學(xué)共價(jià)熒光標(biāo)記蛋白相融合，可以構(gòu)建遺傳編碼電壓敏感分子探針，實(shí)現(xiàn)高靈敏和大動(dòng)態(tài)范圍的檢測(cè)。此外，QD 理論研究表明，動(dòng)作電位的產(chǎn)生可以引起單一種類半導(dǎo)體 QD（ZnS，CdTe 等）5% 熒光強(qiáng)度的變化以及 1 nm 波長(zhǎng)的變化。而采用兩種 QD 復(fù)合構(gòu)成的神經(jīng)探針，熒光強(qiáng)度更是可以在動(dòng)作電位下發(fā)生 30% 的變化（圖 1b）。另一方面，通過結(jié)合對(duì)神經(jīng)元類型特異膜受體有親和性的蛋白或多肽，可以實(shí)現(xiàn)選擇性的神經(jīng)元標(biāo)記，從而有利于提高檢測(cè)的電壓靈敏度和特異性。另外還需要克服 QD 的細(xì)胞毒性問題。蛋白包被同樣是解決這一問題的有效手段。此外，許多科研人員也在嘗試采用其他無毒的無機(jī) QD（碳量子點(diǎn)等）。兼顧檢測(cè)性能與生物相容性的熒光檢測(cè)無疑是今后的重點(diǎn)研究方向之一。

電壓指示探針靈敏度相對(duì)較低，對(duì)檢測(cè)設(shè)備要求非常高，這也阻礙了其廣泛使用。此外，絕大多數(shù)探針都是用可見光激發(fā)，無法檢測(cè)深層組織的電壓變化。因此，使用紅外光激發(fā)或者其他材料檢測(cè)電壓變化尤為關(guān)鍵，我們最新開發(fā)的基于上轉(zhuǎn)換材料 UCNP 的新型電壓探針，其能被 980 nm 激光激發(fā)，發(fā)射可見光；且具有較好的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)速度，光毒性也大大降低，因此 UCNP 材料用于電壓成像可能是一個(gè)很好的選擇。

圖1　 可注射的網(wǎng)狀神經(jīng)電極（a）和半導(dǎo)體量子點(diǎn)檢測(cè)動(dòng)作電位的機(jī)理（b）

2 新型顯微成像技術(shù)

正如人們常說的“眼見為實(shí)”，從17 世紀(jì)英國博物學(xué)家羅伯特·胡克通過他自己制作的顯微鏡發(fā)現(xiàn)“細(xì)胞”開始，顯微成像技術(shù)在現(xiàn)代生物學(xué)的發(fā)展中就一直起著至關(guān)重要的推動(dòng)作用。19 世紀(jì)末西班牙病理學(xué)家圣地亞哥·拉蒙-卡哈爾通過在顯微鏡下對(duì)大量腦組織樣品的細(xì)致觀察，提出了“神經(jīng)元學(xué)說”，奠定了現(xiàn)代神經(jīng)生物學(xué)的基礎(chǔ)。20 世紀(jì)中期開始，借助電子顯微鏡，人們可以觀測(cè)到神經(jīng)細(xì)胞之間突觸聯(lián)結(jié)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，從而理解神經(jīng)信息傳遞的化學(xué)本質(zhì)；同時(shí)借助包括共聚焦、雙光子成像等各種熒光顯微成像技術(shù)，人們開始研究大腦組織中大量神經(jīng)元如何相互連接形成神經(jīng)環(huán)路。而進(jìn)入 21世紀(jì)以來，最新顯微成像技術(shù)的發(fā)展以及其與信息計(jì)算技術(shù)的融合，產(chǎn)生了包括超高分辨率光學(xué)顯微和冷凍電鏡成像等超微納米成像技術(shù)以及包括光片照明顯微等可用于活體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)研究的高速體成像方法，突破了傳統(tǒng)技術(shù)在空間和時(shí)間分辨率的極限?；谶@些仍在快速發(fā)展中的新技術(shù)手段，神經(jīng)生物學(xué)家對(duì)大腦的觀測(cè)進(jìn)入了從突觸到全腦，跨越多個(gè)尺度的“聯(lián)結(jié)組學(xué)”時(shí)代。

2.1前沿電子顯微技術(shù)

神經(jīng)突觸一般只有不到 1μm3大小，卻是大腦神經(jīng)環(huán)路聯(lián)結(jié)體系的基本計(jì)算單元，執(zhí)行信息傳遞加工等關(guān)鍵功能，其可塑性變化是學(xué)習(xí)、記憶等各種高級(jí)腦功能的物質(zhì)基礎(chǔ)，而其結(jié)構(gòu)功能異常則是抑郁癥、精神分裂癥、老年性癡呆等各種精神、神經(jīng)疾病的根源。因此，對(duì)突觸內(nèi)部超微結(jié)構(gòu)的解析是理解突觸乃至神經(jīng)環(huán)路功能與疾病機(jī)制的關(guān)鍵所在。幾十年來，電子顯微鏡以其納米水平的分辨率一直是這一微觀尺度研究的重要工具。而最近幾年來，最新的冷凍電子顯微技術(shù)，包括電鏡三維斷層成像及單顆粒三維重構(gòu)，通過結(jié)合快速冷凍對(duì)樣品的保存和高性能計(jì)算突破了常規(guī)電子顯微鏡的局限，可以對(duì)亞細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)乃至蛋白質(zhì)大分子復(fù)合物進(jìn)行極高分辨率的解析。美國加州大學(xué)洛杉磯分校周正洪、舊金山分校程亦凡等華人科學(xué)家均是這一領(lǐng)域的先驅(qū)。利用單顆粒三維重構(gòu)，清華大學(xué)等單位率先解析了與老年性癡呆相關(guān)的神經(jīng)突觸蛋白 γ 分泌酶復(fù)合物的原子分辨率三維結(jié)構(gòu)。利用冷凍電鏡斷層成像技術(shù)結(jié)合自主研制的光學(xué)-電子關(guān)聯(lián)顯微裝置和算法，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位首先解析了完整的神經(jīng)突觸在接近生理狀態(tài)下的高分辨三維超微結(jié)構(gòu)，可以直接觀測(cè)到特定種類突觸上單個(gè)蛋白分子復(fù)合物的形態(tài)和準(zhǔn)確定位（圖 2）。這些方法的進(jìn)一步發(fā)展，可望實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)突觸的“終極”定量解析與表征。

圖2　神經(jīng)突觸的冷凍電鏡三維斷層重構(gòu)

在百微米尺度上，近幾年發(fā)展高通量掃描電子顯微技術(shù)成為了解析由多個(gè)神經(jīng)元聯(lián)結(jié)構(gòu)成的神經(jīng)微環(huán)路的重要工具。通過不同方式的連續(xù)切片和電子掃描成像，德國馬普研究所和美國哈佛大學(xué)等單位先后實(shí)現(xiàn)了對(duì)小鼠視網(wǎng)膜中以及腦皮層中微環(huán)路的完整解析。這種針對(duì)大腦神經(jīng)環(huán)路進(jìn)行反向工程的微環(huán)路解析除了自動(dòng)超薄切片與電鏡成像的硬件技術(shù)外，對(duì)電鏡圖像的分析、識(shí)別和三維重建也極具挑戰(zhàn)。中科院自動(dòng)化所等單位在這一領(lǐng)域已經(jīng)具有很好的積累，目前也在與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位合作發(fā)展光電關(guān)聯(lián)環(huán)路重建技術(shù)。

2.2超高分辨光學(xué)顯微技術(shù)

與電子顯微技術(shù)相比，光學(xué)顯微特別是熒光顯微方法具有更高的靈敏度和特異性，從而可用于解析特定分子組成的表達(dá)與分布以及特定細(xì)胞或亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的識(shí)別與分類，同時(shí)光學(xué)顯微可以用于活細(xì)胞成像，這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)有效解析神經(jīng)突觸和環(huán)路的結(jié)構(gòu)功能至關(guān)重要。但一般情況下，光學(xué)顯微受衍射極限的限制，只能達(dá)到亞微米級(jí)（數(shù)百納米）的分辨率，這顯然不足以清楚解析同樣亞微米尺度的神經(jīng)突觸內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)及其病理變化。最新發(fā)展的超微光學(xué)成像技術(shù)利用受激輻射耗盡（STED）以及單分子定位重構(gòu)（PALM/STORM）等方法突破了光學(xué)衍射的限制，達(dá)到了數(shù)十納米的分辨率，美國科學(xué)家埃里克·白茲格和威廉·莫爾納以及德國科學(xué)家斯蒂芬·黑爾等為此獲得 2014 年諾貝爾獎(jiǎng)化學(xué)獎(jiǎng)。美國華人科學(xué)家莊小威也是這一領(lǐng)域的先驅(qū)者，并首先將此技術(shù)應(yīng)用于神經(jīng)突觸的超微結(jié)構(gòu)以及對(duì)單個(gè)神經(jīng)元輸入聯(lián)結(jié)組的完全解析。

我國科學(xué)家也在超高分辨光學(xué)成像技術(shù)方面開展了創(chuàng)新性工作，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中科院生物物理所、北京大學(xué)等單位研發(fā)了超高分辨光學(xué)成像的分子探針，實(shí)現(xiàn)了亞細(xì)胞區(qū)室與細(xì)胞器的活細(xì)胞動(dòng)態(tài)超微成像，并利用 STORM 技術(shù)解析了神經(jīng)突觸的不同類型。這一技術(shù)在組織樣品尺度方面有進(jìn)一步發(fā)展，通過與電子顯微技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的結(jié)合，有可能成為下一代神經(jīng)環(huán)路反向工程的新的突破口，也是中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心和中科院腦功能聯(lián)結(jié)圖譜先導(dǎo)專項(xiàng)中技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)的一個(gè)重要方向。

2.3寬場(chǎng)照明成像技術(shù)

腦功能往往涉及全腦范圍內(nèi)大量神經(jīng)元的協(xié)同運(yùn)作，探究其機(jī)制需要快速大規(guī)模的神經(jīng)活動(dòng)記錄。光學(xué)成像方法結(jié)合能夠報(bào)告神經(jīng)元活動(dòng)水平的熒光染料和蛋白，可以同時(shí)觀察成百上千個(gè)神經(jīng)元，在過去 10 多年中取得了若干重要成果。然而，受逐點(diǎn)采集的原理限制，通行的雙光子成像和共聚焦成像每秒只能采集數(shù)幀，遠(yuǎn)不足以觀察精細(xì)的神經(jīng)活動(dòng)，更難以研究三維空間中的集群活動(dòng)。近來發(fā)展的光片照明成像技術(shù)，同時(shí)激發(fā)整個(gè)成像平面的熒光蛋白，又具有良好的軸向分辨率，結(jié)合靈敏的熒光相機(jī)，可以實(shí)現(xiàn) 100 Hz 的神經(jīng)活動(dòng)成像，再輔以軸向掃描則可記錄三維神經(jīng)元集群的活動(dòng)［7］。光場(chǎng)成像技術(shù)采用傳統(tǒng)照明激發(fā)三維空間內(nèi)的熒光分子，通過微小透鏡陣列和數(shù)據(jù)重建分離不同深度的熒光信息，從而同步采集三維空間中的神經(jīng)元活動(dòng)。這些寬場(chǎng)成像方法尤其適于研究小巧透明的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，如斑馬魚幼魚。斑馬魚具有與高等脊椎動(dòng)物類似的神經(jīng)系統(tǒng)，在1周齡已表現(xiàn)出多種復(fù)雜行為，但其大腦相對(duì)較小，通過透明的皮膚可清楚分辨其中的數(shù)十萬個(gè)神經(jīng)元，從而實(shí)現(xiàn)全腦尺度上神經(jīng)元活動(dòng)的光學(xué)記錄，同時(shí)也可以釋放其眼睛或尾部來觀察感覺刺激所引起的運(yùn)動(dòng)。此外，作為重要的模式動(dòng)物，斑馬魚適合各種遺傳學(xué)操作，使得可以編輯特定基因及其表達(dá)，標(biāo)記特定的神經(jīng)元類型和集群，藉此在行為過程中監(jiān)測(cè)記錄全腦神經(jīng)元的活動(dòng)，通過光遺傳學(xué)方法操縱參與特定功能的神經(jīng)元集群的活動(dòng)并標(biāo)記其形態(tài)和聯(lián)系特征，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)活動(dòng)記錄、操縱與精細(xì)結(jié)構(gòu)成像的有機(jī)結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)解析整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)工作原理（圖3）［8］。

圖3　斑馬魚全腦神經(jīng)元活動(dòng)檢測(cè)和操控技術(shù)示意圖

3 神經(jīng)環(huán)路追蹤和光遺傳學(xué)

神經(jīng)環(huán)路的復(fù)雜性是由神經(jīng)細(xì)胞種類的復(fù)雜、不同種類神經(jīng)細(xì)胞電生理特征的復(fù)雜和不同腦區(qū)的不同種類神經(jīng)細(xì)胞連接模式的復(fù)雜決定的。因此，如果希望在細(xì)胞層次上研究和認(rèn)識(shí)腦功能，就必須結(jié)合分子標(biāo)記和示蹤、細(xì)胞操縱和干擾等方法、針對(duì)特定細(xì)胞給予標(biāo)記。光遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)控技術(shù)是整合了光學(xué)、基因工程、電生理以及電子工程的一種全新的多學(xué)科交叉的生物技術(shù)。其主要原理是首先采用基因技術(shù)將光感基因轉(zhuǎn)入到神經(jīng)系統(tǒng)中特定類型的細(xì)胞中進(jìn)行表達(dá)，使其在細(xì)胞膜上形成特殊的離子通道。這些離子通道在不同波長(zhǎng)的光照刺激下達(dá)到對(duì)細(xì)胞選擇性地興奮或者抑制的目的，從而可以對(duì)特定細(xì)胞類型的神經(jīng)通路進(jìn)行毫秒級(jí)精準(zhǔn)的開啟或者關(guān)閉。嗜神經(jīng)病毒是神經(jīng)環(huán)路結(jié)構(gòu)和功能研究中的新生力量，具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：種類繁多；可以跨突觸傳播；跨突觸方向可控，可特異順行或逆行傳播；病毒跨突觸后可復(fù)制，信號(hào)不衰減；可攜帶多種標(biāo)示物；可結(jié)合已有的數(shù)百種 cre- 動(dòng)物品系，對(duì)特定類型細(xì)胞的神經(jīng)環(huán)路進(jìn)行高靈敏的可視化。

光遺傳學(xué)技術(shù)在短短 10 年已經(jīng)成為了神經(jīng)環(huán)路解析最重要的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用到神經(jīng)科學(xué)研究之中，同時(shí)因?yàn)榇思夹g(shù)的高時(shí)空精準(zhǔn)、細(xì)胞特異性的優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用此技術(shù)針對(duì)疾病的研究，包括失明、焦慮、癱瘓等，國外已經(jīng)逐步在向臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化的方向推動(dòng)。此方面技術(shù)的瓶頸主要是可能應(yīng)用到人體的整體技術(shù)的優(yōu)化和商業(yè)開發(fā)。其次，作為一種在實(shí)驗(yàn)室中重要的生物技術(shù)，目前針對(duì)腦科學(xué)的研究已經(jīng)不可或缺，但是，應(yīng)用此技術(shù)展開腦功能解析的綜合研究?jī)x器，例如整合光遺傳、電生理技術(shù)、光學(xué)成像和大腦磁共振的儀器設(shè)備等至今沒有商業(yè)產(chǎn)品，許多都依賴實(shí)驗(yàn)室自己的搭建，大多只能滿足單一的實(shí)驗(yàn)需求。因此，基于光遺傳技術(shù)、細(xì)胞分辨、高時(shí)空精準(zhǔn)神經(jīng)環(huán)路功能調(diào)控的整套實(shí)驗(yàn)技術(shù)、裝置和設(shè)備的革新可以預(yù)期將伴隨著高質(zhì)量的研究成果和對(duì)產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)。載體病毒的感染和傳播機(jī)制不清，限制新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；毒力普遍需弱化，方可廣泛用于長(zhǎng)期跟蹤研究；侵入位點(diǎn)、傳播方向和跨突觸級(jí)數(shù)等的可控性有待提高以獲得更特異的結(jié)構(gòu)信息；結(jié)構(gòu)示蹤與功能研究的兼容性和確定執(zhí)行特定功能的環(huán)路方面尚無工具化的示蹤體系；對(duì)缺乏 cre- 品系的眾多物種包括大鼠、樹鼩和非人靈長(zhǎng)類缺乏細(xì)胞類型特異的標(biāo)記手段。

目前國際上常用于神經(jīng)環(huán)路示蹤系統(tǒng)，主要是可分為3大類：（1）皰疹病毒科的偽狂犬病毒和單純皰疹病毒；（2）彈狀病毒科的狂犬病毒和水皰炎病毒；（3）限制跨突觸病毒感染和傳播范圍的輔助病毒，包括腺相關(guān)病毒、逆轉(zhuǎn)錄病毒和慢病毒等。基于這些病毒的結(jié)構(gòu)、感染及復(fù)制特性，利用反向遺傳學(xué)及同源重組等手段，篩選和改造病毒，減弱毒力，插入熒光蛋白等外源基因，初步滿足逆向跨單突觸和多突觸、正向跨多突觸傳播的示蹤系統(tǒng)，成為神經(jīng)環(huán)路研究的有力工具。我國對(duì)神經(jīng)環(huán)路示蹤技術(shù)的研究于 2008 年始自中科院武漢物理與數(shù)學(xué)所，早期的跟蹤性研究獲得了國際權(quán)威 L. Enquist 和 E. Callaway 的無私支持，2012 年之后在自然科學(xué)基金委“情感與記憶神經(jīng)環(huán)路”和中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)“腦功能聯(lián)結(jié)圖譜”等專項(xiàng)及科技部“973”計(jì)劃的支持下，建立了國際上幾乎所有具有使用價(jià)值的體系，發(fā)展了在靈敏度、標(biāo)識(shí)物和宿主多樣性、穩(wěn)定性、安全性、病毒毒力等方面更優(yōu)越的 100 多種新型示蹤系統(tǒng)（圖 4），并為國內(nèi)外科研院所廣泛應(yīng)用［9，10］。但大多數(shù)所建立的，包括結(jié)構(gòu)與功能研究兼顧的體系，與大多文獻(xiàn)報(bào)道類似，尚需相當(dāng)努力使之工具化。

光遺傳學(xué)技術(shù)在國內(nèi)近幾年的發(fā)展得到了包括自然科學(xué)基金委、科技部以及中科院一些項(xiàng)目的支持。但是，相比美國等國家針對(duì)此技術(shù)方向的支持力度，差距巨大。國內(nèi)團(tuán)隊(duì)在光刺激多通道電生理記錄技術(shù)、光遺傳學(xué)單細(xì)胞水平調(diào)控技術(shù)研發(fā)以及應(yīng)用此技術(shù)解析特定神經(jīng)環(huán)路功能等方面取得了一些重要的進(jìn)展。依托中科院深圳先進(jìn)技術(shù)院已經(jīng)建立了功能完善的光遺傳技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用和技術(shù)資源共享平臺(tái)，基于國內(nèi)平臺(tái)的研發(fā)工作，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光遺傳及其相關(guān)技術(shù)已經(jīng)獲批 30 余件核心專利；同時(shí)此技術(shù)體系由中科院深圳先進(jìn)技術(shù)院輻射到境內(nèi)外 230 余家實(shí)驗(yàn)室，在短期內(nèi)極大地整體上提升了國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)在國際此領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。

目前，需針對(duì)性地加強(qiáng)所涉及病毒與宿主相互作用的機(jī)理研究，從而設(shè)計(jì)出極弱毒力的、侵入位點(diǎn)、傳播方向和跨突觸級(jí)數(shù)可控的、高靈敏和靈活的、適于不同物種（尤其是非人靈長(zhǎng)類）、兼顧結(jié)構(gòu)示蹤與功能研究的、細(xì)胞和突觸類別特異的、可標(biāo)識(shí)執(zhí)行特定功能的、不依賴于 cre- 品系的神經(jīng)環(huán)路示蹤工具庫。強(qiáng)化標(biāo)記體系的工具化和工業(yè)化，建立全國性支撐服務(wù)平臺(tái)，全面推動(dòng)腦科學(xué)的發(fā)展。目前國內(nèi)光遺傳學(xué)相關(guān)技術(shù)與國際同領(lǐng)域技術(shù)基本保持同步。光遺傳技術(shù)和多種腦功能解析技術(shù)的整合，例如電生理、腦功能成像、光學(xué)成像等，需要整合國內(nèi)優(yōu)勢(shì)團(tuán)隊(duì)協(xié)同攻關(guān)。國外至今也尚無此類研究手段。建議基于國內(nèi)已經(jīng)獲得自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，拓展應(yīng)用，并充分利用國內(nèi)學(xué)科交叉、協(xié)同攻關(guān)的工作模式：（1）研發(fā)基于光遺傳技術(shù)的腦功能解析手段和科研裝置；（2）運(yùn)用此技術(shù)，針對(duì)我國已經(jīng)取得進(jìn)展的研究領(lǐng)域，例如本能行為神經(jīng)環(huán)路功能解析、精神疾病的病理性神經(jīng)環(huán)路解析、特定腦功能圖譜的解析等；（3）是光遺傳技術(shù)的科研產(chǎn)業(yè)化推動(dòng)以及針對(duì)疾病治療的臨床前研究、技術(shù)儲(chǔ)備等，為未來可能的臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

圖4　活體腦細(xì)胞和神經(jīng)環(huán)路的病毒標(biāo)記示例

4 神經(jīng)環(huán)路重構(gòu)

人腦中有約 1011個(gè)分子類型特異的神經(jīng)元，它們通過約 1014個(gè)突觸彼此相互交織形成神經(jīng)信息傳遞、處理和整合的立體神經(jīng)環(huán)路。解析神經(jīng)環(huán)路的結(jié)構(gòu)與功能是闡明高級(jí)腦功能機(jī)理的前提和基礎(chǔ)，這需要首先明確構(gòu)成環(huán)路的神經(jīng)元類型以及在單神經(jīng)元水平構(gòu)建跨腦區(qū)的環(huán)路結(jié)構(gòu)。國際科學(xué)界高度重視神經(jīng)環(huán)路結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，2013年美國發(fā)起了“創(chuàng)新性神經(jīng)技術(shù)推動(dòng)的腦研究”，并將確定神經(jīng)細(xì)胞類型和建立大腦精細(xì)結(jié)構(gòu)圖作為前兩項(xiàng)重點(diǎn)研究的內(nèi)容，而其他研究均需要以這兩項(xiàng)為基礎(chǔ)，這充分顯示出在介觀層面解析神經(jīng)環(huán)路之于腦研究的重要性和迫切性。

近年來，借助于小鼠的轉(zhuǎn)基因技術(shù)、神經(jīng)標(biāo)記技術(shù)迅猛發(fā)展，為構(gòu)建小鼠腦神經(jīng)環(huán)路及繪制連接圖譜提供了豐富的動(dòng)物模型資源。面向小鼠的全腦光學(xué)顯微成像技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生，它們突破光學(xué)成像深度限制，足以獲取厘米見方的神經(jīng)環(huán)路結(jié)構(gòu)信息［11］。其中，由華中科技大學(xué)自主研發(fā)的顯微光學(xué)切片斷層成像（Micro-Optical Sectioning Tomography， MOST）系列技術(shù)［11，12］，在國際上首次獲得了體素分辨率為 1 μm 的小鼠全腦連續(xù)三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集，并首次展示了小鼠全腦內(nèi)長(zhǎng)距離軸突投射通路的連續(xù)追蹤（圖 5）。正是基于上述技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步，美國 Allen 腦科學(xué)研究所已經(jīng)重建出一套體素分辨率 100 μm 的腦區(qū)水平的小鼠腦連接圖譜，但還未達(dá)到單神經(jīng)元分辨水平。

盡管鼠腦研究方興未艾，但為了更有效地揭示人類腦疾病發(fā)生發(fā)展過程，理解人腦高級(jí)功能機(jī)制，開展與人類親緣關(guān)系更密切的非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物腦研究的重要性日益凸顯。我國在非人靈長(zhǎng)類的神經(jīng)環(huán)路研究中具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，擁有豐富的非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物資源，中科院腦科學(xué)和智能技術(shù)卓越中心已經(jīng)在全國建立了多個(gè)非人靈長(zhǎng)類腦功能的研究平臺(tái)，獼猴轉(zhuǎn)基因技術(shù)亦處于國際領(lǐng)先。相比之下，歐美國家受到了資源、倫理、政策等因素的制約，相關(guān)研究日益衰退。我國有望抓住這一歷史機(jī)遇，在非人靈長(zhǎng)類神經(jīng)環(huán)路研究方面取得突破，在腦科學(xué)競(jìng)爭(zhēng)的國際舞臺(tái)搶占先機(jī)。但是，獼猴的腦容量約為小鼠腦的 90 倍，研究難度遠(yuǎn)大于小鼠腦。為了構(gòu)建非人靈長(zhǎng)類大腦神經(jīng)環(huán)路，需要在樣本標(biāo)記與制備、大樣本高分辨率成像技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理與分析等方面進(jìn)行系統(tǒng)性、多學(xué)科的協(xié)同攻關(guān)，才有望取得突破。

與鼠腦研究相比，高質(zhì)量的非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型還十分匱乏。不僅是因?yàn)殪`長(zhǎng)類動(dòng)物繁育周期長(zhǎng)，在小鼠等低等動(dòng)物中已十分成熟的分子遺傳學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)手段，大多難以直接、甚至完全不能應(yīng)用于非人靈長(zhǎng)類等高等模式動(dòng)物。而且，在大體積腦組織中熒光標(biāo)記物（如病毒）和包埋固定物質(zhì)如何能快速均勻滲透，如何提高樣本質(zhì)量的穩(wěn)定性和持久性等都是亟待解決的技術(shù)難題。

如何建立單細(xì)胞分辨的非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物全腦數(shù)據(jù)獲取的光學(xué)顯微成像技術(shù)是又一大技術(shù)難題。現(xiàn)有技術(shù)以0.5 μm3精度掃描完整小鼠腦大約需要 3—10 天，若對(duì)靈長(zhǎng)類全腦范圍進(jìn)行成像則需數(shù)月時(shí)間，時(shí)間成本巨大，無法滿足生物學(xué)統(tǒng)計(jì)性的樣本量需求。而且，現(xiàn)有成像儀器、關(guān)鍵器件難以勝任連續(xù)數(shù)月的工作強(qiáng)度。因此，需要從成像原理、核心器件、采集策略上求得突破，開發(fā)出高通量、高精度，適用于非人靈長(zhǎng)類大腦的下一代全腦成像技術(shù)。

解決了獲取數(shù)據(jù)的問題之后，非人靈長(zhǎng)類全腦圖像大數(shù)據(jù)的處理分析必將是下一個(gè)瓶頸。根據(jù)最新的研究報(bào)道，國際上剛剛初步解決了小鼠全腦數(shù)據(jù)集的計(jì)算問題，數(shù)據(jù)處理能力低于 10 TB。非人靈長(zhǎng)類全腦數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)量將達(dá)到百 TB，甚至 PB，這對(duì)計(jì)算和存儲(chǔ)的體系結(jié)構(gòu)，以及軟件技術(shù)都提出了巨大挑戰(zhàn)。此外，鼠腦研究中仍然將人工追蹤作為神經(jīng)元形態(tài)重建的金標(biāo)準(zhǔn)，照此推算重建非人靈長(zhǎng)類大腦百億級(jí)神經(jīng)元規(guī)模的神經(jīng)環(huán)路大約需要 3 000 萬人同時(shí)工作一年。因此，利用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)腦內(nèi)信息的全自動(dòng)識(shí)別必將是未來重要的發(fā)展方向。

綜上所述，非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物全腦神經(jīng)環(huán)路的構(gòu)建是極具挑戰(zhàn)的前沿研究，它涉及生物醫(yī)學(xué)、信息、物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、材料、控制等多個(gè)學(xué)科，需要從基礎(chǔ)到臨床、從科學(xué)到工程多個(gè)方面，共同圍繞腦科學(xué)本身的需求與問題展開研究，這將是我國腦計(jì)劃實(shí)施中亟待協(xié)同攻關(guān)的技術(shù)瓶頸。

5 發(fā)展建議

腦科學(xué)是未來若干年自然科學(xué)領(lǐng)域國際競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，搶占國際制高點(diǎn)的關(guān)鍵是整合交叉學(xué)科力量，加速研發(fā)新技術(shù)，并前瞻性地部署未來技術(shù)。（1）要充分發(fā)揮中科院在相關(guān)學(xué)科方向的優(yōu)勢(shì)力量，通過頂層設(shè)計(jì)，與腦科學(xué)具體研究和需求結(jié)合，研制新型研究技術(shù)和體系。（2）建立跨學(xué)科、跨單位的雙學(xué)位研究生體系，培養(yǎng)腦科學(xué)和其他交叉學(xué)科的復(fù)合型人才，為未來的技術(shù)發(fā)展培養(yǎng)和儲(chǔ)備人才。（3）要通過針對(duì)性的研討，積極思考和部署未來不可預(yù)見的技術(shù)方向。通過腦科學(xué)研究新技術(shù)的研發(fā)，不僅推動(dòng)腦科學(xué)的發(fā)展，也將帶動(dòng)其他交叉學(xué)科的進(jìn)步。

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杜久林中科院神經(jīng)科學(xué)所研究員、所長(zhǎng)助理，中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心副主任，神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。國家“杰出”青年基金、中科院“百人計(jì)劃”、中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才等獲得者；曾獲上海市自然科學(xué)牡丹獎(jiǎng)、張香桐神經(jīng)科學(xué)青年科學(xué)家獎(jiǎng)、明治生命科學(xué)獎(jiǎng)、上海市自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（第二完成人）、中國高校自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（第二完成人）等。1993 年本科畢業(yè)于中國科技大學(xué)；1998 年博士畢業(yè)于中科院上海生理所；1999—2000 年任上海生理所助理研究員；2002 年任復(fù)旦大學(xué)副教授；曾在日本東京大學(xué)（2000—2001年）和美國加州大學(xué)伯克利分校（2002—2005 年）從事博士后研究；2006 年起任中科院上海生科院神經(jīng)科學(xué)所課題組長(zhǎng)。創(chuàng)建多項(xiàng)國際領(lǐng)先的斑馬魚在體研究技術(shù)，從突觸—神經(jīng)元—神經(jīng)環(huán)路—行為的研究策略出發(fā)，以視覺系統(tǒng)為切入點(diǎn)，研究感覺-運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)機(jī)制以及神經(jīng)調(diào)質(zhì)系統(tǒng)的功能，提出“Bi-Pathway Hypothesis for Behavior Generation”，闡述動(dòng)物產(chǎn)生適應(yīng)性行為的神經(jīng)機(jī)制；同時(shí)拓展交叉研究方向，探索腦血管網(wǎng)絡(luò)和血腦屏障的發(fā)育機(jī)制及其神經(jīng)調(diào)節(jié)。研究成果主要發(fā)表在 Neuron、Developmental Cell、PLoS Biology、Circulation Research 等學(xué)術(shù)期刊上。E-mail: forestdu@ion.ac.cn

Du Jiulin Senior Investigator and Assistant Director of Institute of Neuroscience （ION）， Chinese Academy of Sciences （CAS）， and Deputy Director of CAS Center for Excellence for Brain Science & Intelligence Technology and State Key Laboratory of Neuroscience. He is a winner of National Outstanding Young Scientist Award， National Youth Science and Technology Innovation Talents， CAS Hundred Talents Award， and Hsiang-Tung Chang Outstanding Young Neuroscientist Award. He obtained B.S. degree from University of Science & Technology of China in 1993 and Ph.D. degree from Shanghai Institute of Physiology， CAS in 1998， and then did Postdoc studies at Tokyo University and UC Berkeley. He joined ION at 2006 as a PI. His laboratory has developed several novel innovative in vivo methods for zebrafish research， including wholecell recording， intron-based knockin， dopamine release monitoring， and 3-dimensional brain vasculature reconstruction and analysis. He has performed series study on neural circuit mechanisms underlying visuomotor transformation and adaptive behavior generation， and proposed the Bi-Pathway Hypothesis for Behavior Generation. Original research papers have been published on Neuron， Developmental Cell， PLoS Biology，Circulation Research， and so on. E-mail: forestdu@ion.ac.cn

Developing Novel Techniques for Brain Science Research

Du Jiulin1，6Bi Guoqiang2，6Luo Qingming3，6Xu Fuqiang4，6Fang Ying5，6Wang Chen5，6
（1 Institute of Neuroscience， Shanghai Institutes for Biological Sciences， Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200031， China；2 University of Science and Technology of China， Hefei 230026， China；3 Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， China；4 Institute of Physics and Mathematics， Chinese Academy of Sciences， Wuhan 430071， China；5 National Center for Nanoscience and Technology， Beijing 100190， China；6 Center for Excellence in Brain Science and Intelligence Technology， Chinese Academy of Sciences， Shanghai 200031， China）

The progress of brain science research requires the application of inter-discipline techniques， and in turn promotes the developmentof the latter. In the highly competitive international Brain Research Project， the first priority is to develop new techniques. This review focuses on why and how we are going to tackle several crucial techniques， including measurement of neural signals， optic imaging of neural signals and structures， combination of tans-synaptic tracing and optogenetics， and large-scale re-construction of neural circuits. Through the state-of-the-art design of national brain research-relevant major projects， we can integrate national research efforts and make a breakthrough in this field in the coming future.

microelectrode array， optic imaging， trans-synaptic neural circuit tracing， optogenetics， neural circuit re-construction

10.16418/j.issn.1000-3045.2016.07.007

* 資助項(xiàng)目：中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)項(xiàng)目（B類）（XDB0200000）
** 通訊作者
修改稿收到日期：2016年6 月10日