中科院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心杜久林研究組開發(fā)了光遺傳學工具Pisces，以斑馬魚為模型，在活體脊椎動物中實現(xiàn)了任意單個神經元的形態(tài)、活動與分子信息的整合標記。這一技術突破了神經科學領域的技術瓶頸，為構建全腦尺度單神經元多模態(tài)圖譜提供了重要手段。

大腦神經網(wǎng)絡由數(shù)量龐大且類型多樣的神經元組成，探究大腦神經網(wǎng)絡的功能需要同步獲取單細胞層面的形態(tài)結構、活動狀態(tài)與分子特征。然而，傳統(tǒng)隨機稀疏標記方法需要耗時數(shù)周，難以精確鎖定目標神經元；現(xiàn)有光遺傳學手段受限于信號泄漏、效率低和擴散速度慢等問題，無法快速呈現(xiàn)長程軸突投射，且與功能成像、分子分析的兼容性不足。

Pisces設計了核定位光控蛋白轉運系統(tǒng)。研究人員將光裂解蛋白與光轉換熒光蛋白融合，并通過精確平衡核定位信號與核輸出信號，使熒光蛋白在激發(fā)前嚴格定位于細胞核內。405 nm激光照射可瞬時切割光裂解蛋白，使光轉換熒光蛋白從綠色轉為紅色，并在核輸出信號的主動運輸作用下以約1.02 μm/s的速度快速擴散至整個細胞，從而在小時級時間內標記完整神經元形態(tài)，顯著快于傳統(tǒng)方法的被動擴散。在斑馬魚模型中，Pisces可在暗場或環(huán)境光下精準標記任意單個神經元，實現(xiàn)相鄰細胞的高分辨率區(qū)分，同時支持一次性追蹤多個跨腦區(qū)神經元，繪制包括藍斑核去甲腎上 腺素能神經元在內的復雜全腦投射圖譜。

Pisces與多種神經科學研究技術高度兼容。在功能成像方面，科研人員將Pisces與在體鈣成像結合，在斑馬魚視頂蓋區(qū)建立了神經元“活動類型-完整形態(tài)類型”的配對數(shù)據(jù)，揭示了投射型與中間型神經元在光響應特性和樹突分布上的顯著差異，發(fā)現(xiàn)了控制捕食的對側投射神經元具有更復雜的樹突結構與多樣的光響應模式。在分子分析方面，科研團隊利用流式分選提取已激活的Pisces神經元，開展單細胞RNA測序，解析了韁核左右側神經元在信號通路上的差異，并結合熒光原位雜交驗證了單神經元形態(tài)與基因表達的空間對應關系，揭示了包括韁核與中腦在內的不同腦區(qū)細胞類型和功能特性。

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光控單神經元多模態(tài)標記技術成功開發(fā)

這一新成果突破了“全腦尺度單神經元多模態(tài)解析”技術，為探討神經環(huán)路提供了“結構-活動-分子”三位一體的新研究視角。

相關研究成果在線發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到科技創(chuàng)新-2030重大專項、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院相關項目等的支持。