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2025年8月20日，《Nature Communications》在線發(fā)表了題為“Designed optogenetic tool for bridging single-neuronal multimodal information in intact animals”的重要研究成果，該研究由中國科學院腦科學與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學研究所）杜久林研究組完成。該研究成功開發(fā)了名為Pisces（Photo-inducible single-cell labeling system）的光遺傳學工具，以斑馬魚為模型，首次在活體脊椎動物中實現(xiàn)了任意單個神經(jīng)元的形態(tài)、活動與分子信息的整合標記（圖1）。這一突破性技術(shù)填補了神經(jīng)科學領域長期存在的技術(shù)瓶頸，為構(gòu)建全腦尺度單神經(jīng)元多模態(tài)圖譜提供了重要手段。

圖1. 利用Pisces系統(tǒng)實現(xiàn)對活體大腦中單個神經(jīng)元的分子、形態(tài)和活動數(shù)據(jù)的整合。

大腦神經(jīng)網(wǎng)絡由數(shù)量龐大且類型多樣的神經(jīng)元組成，全面理解其功能必須同步獲取單細胞層面的形態(tài)結(jié)構(gòu)、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，且難以精確鎖定目標神經(jīng)元；現(xiàn)有光遺傳學手段則受限于信號泄漏、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，并且與功能成像、分子分析的兼容性不足。

Pisces的核心創(chuàng)新在于設計了一種核定位光控蛋白轉(zhuǎn)運系統(tǒng)。研究團隊將光裂解蛋白（PhoCl）與光轉(zhuǎn)換熒光蛋白（mMaple）融合，并通過精確平衡核定位信號（NLS）與核輸出信號（NES），使熒光蛋白在激發(fā)前嚴格定位于細胞核內(nèi)。405 nm激光照射可瞬時切割PhoCl，使mMaple從綠色轉(zhuǎn)為紅色，并在NES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(nèi)標記完整神經(jīng)元形態(tài)，顯著快于傳統(tǒng)方法的被動擴散（10-50倍）。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(jīng)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(jīng)元，成功繪制包括藍斑核去甲腎上腺素能神經(jīng)元在內(nèi)的復雜全腦投射圖譜。

更為重要的是，Pisces與多種神經(jīng)科學研究技術(shù)高度兼容。在功能成像方面，研究團隊將Pisces與在體鈣成像結(jié)合，首次在斑馬魚視頂蓋區(qū)建立了神經(jīng)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(jīng)元在光響應特性和樹突分布上的顯著差異，并發(fā)現(xiàn)控制捕食的對側(cè)投射神經(jīng)元具有更復雜的樹突結(jié)構(gòu)與多樣的光響應模式。在分子分析方面，團隊利用流式分選提取已激活的Pisces神經(jīng)元，開展單細胞RNA測序，解析了韁核左右側(cè)神經(jīng)元在信號通路上的差異（如右側(cè)富含谷氨酸信號、左側(cè)與肽類合成相關），并結(jié)合熒光原位雜交（FISH）驗證了單神經(jīng)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(nèi)的不同腦區(qū)細胞類型和功能特性。

該新技術(shù)突破了“全腦尺度單神經(jīng)元多模態(tài)解析”的技術(shù)壁壘，為理解神經(jīng)環(huán)路提供了“結(jié)構(gòu)—活動—分子”三位一體的新研究視角（圖2）。研究團隊計劃將該技術(shù)進一步拓展至包括哺乳動物在內(nèi)的其他模式動物，使之廣泛應用于神經(jīng)科學研究領域。

圖2. Pisces通過整合活體斑馬魚大腦單神經(jīng)元形態(tài)、活動與基因多模態(tài)信息，解析單神經(jīng)元多模態(tài)信息。

中國科學院腦智卓越中心杜久林研究員和副研究員陶榮坤（現(xiàn)廈門大學醫(yī)學院副教授）為該論文的共同通訊作者，陶榮坤博士和孫樂博士為該論文的共同第一作者，錢昱、陳鈺涵、黃奕銘、孫怡迪研究員以及溫州醫(yī)科大學附屬臺州醫(yī)院的關春雨醫(yī)生、王明倉主任對該研究做出了重要貢獻。該研究獲得了國家科技創(chuàng)新2030重大專項、科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、上海市自然科學基金及中國科學院青促會等基金的資助。