Cell：开启脑科学“高保真”时代：从模糊混响到清晰合奏，我们终于能听懂大脑了

引言

我们的大脑，是宇宙间已知的最复杂的系统。一千亿个神经元 (neuron)在其中交织成网，它们无时无刻不在通过微弱的电信号交流，形成思想、记忆、情感和行动。这些电信号的集体活动，并非杂乱无章的噪音，而是像一首宏伟的交响乐，充满了各种节奏和韵律——这就是我们常说的“脑电波”。从帮助我们集中注意力的伽马波 (gamma wave)，到与记忆编码息息相关的θ波 (theta wave)，再到影响运动控制的β波 (beta wave)，这些不同频率的振荡 (oscillation)构成了我们认知世界的基础。

然而，想要真正理解这首交响乐，我们面临一个巨大的挑战：我们如何才能分辨出是哪一种“乐器”——也就是哪一类神经元——在演奏哪一段旋律？传统的技术，比如脑电图 (EEG)或局部场电位 (Local Field Potential, LFP)记录，就像在音乐厅外放了一个麦克风，能听到整场演出的宏大声响，却分不清小提琴和长笛各自的旋律。而另一些技术虽然能精确地记录单个神经元的活动，又像是只趴在一位乐手耳边听，错过了整个乐队的合奏。我们迫切需要一种方法，能够同时、精确地“偷听”特定神经元群体在演奏什么“乐曲”，尤其是在大脑处理复杂任务时，比如动物在自由探索、学习或记忆的时候。

近日，《Cell》的重磅研究“Imaging high-frequency voltage dynamics in multiple neuron classes of behaving mammals”，为我们带来了革命性的突破。研究团队开发了一套名为TEMPO的全新光学电压成像技术，它如同一套拥有超高灵敏度和精准指向性的“监听设备”，让我们第一次能够在自由活动或执行任务的动物大脑中，清晰地“收听”到特定种类神经元发出的高频电波私语。这项技术不仅揭示了大脑中不同频率节律之间奇妙的耦合关系，还发现了记忆形成过程中神经电波令人意外的双向传播模式，为我们解开大脑之谜提供了前所未有的强大工具。

窃听风云：捕捉神经元悄悄话的技术难题

在大脑这个熙熙攘攘的“信号都市”里，神经元的每一次兴奋或抑制，都会伴随着其细胞膜内外电压的微小波动。这些以毫伏 (mV)为单位的电压变化，就是神经元之间沟通的“语言”。将这些“语言”捕捉下来，是神经科学的核心任务。

为了实现这一目标，研究人员开发了名为“基因编码电压指示蛋白” (Genetically Encoded Voltage Indicators, GEVIs)的巧妙工具。你可以把GEVI想象成植入特定神经元中的“荧光间谍”。当神经元膜电压变化时，这些蛋白质的构象会随之改变，从而发出或强或弱的荧光。通过一台特制的显微镜，我们就能“看到”神经元的电活动。这听起来非常理想，但在实践中，尤其是在研究高频、微弱的脑电波时，GEVI技术遇到了三大“拦路虎”。

第一个难题是“信号太弱”。神经元在进行高频振荡（如伽马波，频率在30-100赫兹）时，其膜电压的波动幅度非常小。这导致GEVI发出的荧光信号变化极其微弱，常常只有百分之零点几的变化。这就像试图在一片明亮的灯光中，分辨出一支蜡烛火焰的轻微摇曳，难度极大。

第二个难题是“噪音太大”。在活体动物的大脑中，除了神经元的电信号，还充满了各种“生物噪音”。其中最大的干扰源于血液流动。血液中血红蛋白 (hemoglobin)浓度的变化会影响光线的吸收和散射，产生强大的光学伪影 (artifact)，其强度甚至远超我们想要测量的神经信号。此外，动物的呼吸、心跳，甚至轻微的移动，都会导致大脑组织和记录设备产生相对位移，带来剧烈的运动伪影。这些噪音就像在倾听悄悄话时，旁边有一台大功率的鼓风机在咆哮，你根本听不清任何有用的信息。

第三个难题是“设备抖动”。当研究人员使用光纤来记录自由活动小鼠的脑信号时，一个意想不到的问题出现了。激光通过光纤传输时，由于光纤的轻微弯曲或抖动，会导致输出的光斑产生随机的闪烁，这种现象被称为“模式跳跃噪声” (mode-hopping noise)，它会严重污染本就微弱的荧光信号。

正是这些挑战，使得在自由行为的动物中，实时、高保真地记录特定神经元群体的高频振荡，长期以来都是一个难以企及的目标。以往的研究往往需要对上百次实验进行重复和平均，才能从噪音中“打捞”出一点点微弱的信号，而这又牺牲了对单次、瞬时神经事件的洞察力。

降噪神器：uSMAART的超凡灵敏度

为了攻克上述难题，研究团队打造了一套名为uSMAART (ultra-sensitive measurement of aggregate activity in restricted cell types，即“特定细胞类型中聚合活动的超灵敏测量”)的光纤记录系统。这个系统是TEMPO技术家族的第一位成员，它的核心使命就是：在保留微弱信号的同时，极致地消除噪音。

uSMAART的巧妙之处体现在它对噪音来源的精准打击上。首先，针对光纤抖动带来的“模式跳跃噪声”，研究人员想出了一个反其道而行之的办法。既然这种噪声来源于激光的高度相干性 (coherence)，那不如就主动“破坏”它！他们设计了一个“退相干模块” (decoherence module)，让高度准直的激光在进入光纤前，先通过一个由双层扩散片组成的特殊装置。这个装置巧妙地将激光打散，使其失去相干性，变得像普通灯泡发出的非相干光。如此一来，即使光纤在动物活动时发生弯曲，输出的光信号也变得异常稳定，从源头上根除了模式跳跃噪声。数据显示，在没有该模块时，光纤抖动会引起剧烈的光强度波动；而加入该模块后，即使光纤抖动，光强度的波动也几乎可以忽略不计，噪声水平降低了约两个数量级。

其次，为了对抗探测器自身的电子噪音，他们将激光的调制频率提升到了一个非常高的水平——50或75千赫兹 (kHz)。这就像把广播信号发射到一个非常干净、没有干扰的“高频频道”。在这样的高频段，光电探测器的背景噪音（即1/f噪声）极低，从而大大提升了信噪比。

那么，这套全新的uSMAART系统性能究竟有多强？研究人员进行了一项基准测试。他们用一个微型致动器产生一个频率为50赫兹的微弱荧光振动，模拟大脑中的伽马波。他们发现，之前最好的技术 (TEMPO 1.0)几乎无法从背景噪音中分辨出这个50赫兹的信号。然而，当换上uSMAART系统后，这个50赫兹的信号变得清晰可见，信噪比提升了惊人的10倍。如果再配合上最新一代、对微弱电压变化更敏感的GEVI探针 (如ASAP3)，整个系统的灵敏度比几年前的顶尖水平提升了约100倍！这无疑是一次巨大的技术飞跃，意味着研究人员终于有能力捕捉那些稍纵即逝、淹没在噪音海洋中的神经元“悄悄话”。

初闻心声：自由小鼠脑中的高频交响乐

拥有了uSMAART这把“利器”，研究团队立刻将它对准了大脑中一个至关重要的区域——海马体 (hippocampus)。海马体是大脑的“记忆中枢”，其内部的神经节律，特别是θ波 (5-9赫兹)和伽马波，被认为在空间导航和记忆形成中扮演着核心角色。他们特别关注了一类被称为PV中间神经元 (Parvalbumin interneurons)的细胞，这类神经元是大脑中重要的“节拍器”，能够精准地调控大神经元集群的放电节奏。

实验中，研究人员让表达了电压探针的小鼠在一个圆形场地中自由奔跑、探索。通过uSMAART系统，他们清晰地记录到，当小鼠从静止状态开始奔跑时，其海马体PV神经元的电活动发生了显著变化。数据显示，在奔跑期间，PV神经元中的θ波、β波 (15-30赫兹)和伽马波 (30-100赫兹)的功率都显著增强了。同时，这些神经元活动与周围组织记录到的局部场电位 (LFP)的同步性 (coherence)也大幅提升。这为“PV神经元是海马体节律的关键驱动者”这一假说，提供了直接且强有力的证据。

更有趣的是，他们还观察到了一种被称为“跨频耦合” (Cross-frequency coupling, CFC)的现象。你可以将CFC想象成“节律中的节律”——一个低频的慢波，像一只无形的手，在调控着一个高频快波的强度。比如，慢速的鼓点（低频波）决定了沙锤（高频波）何时可以快速摇响。这种耦合被认为是不同脑区之间信息交流和整合的关键机制。

在麻醉小鼠的视觉皮层 (visual cortex)中，研究团队发现了奇妙的“δ-伽马耦合”。他们观察到，当PV神经元的膜电压处于一个缓慢的δ波 (0.5-4赫兹)的“上升期” (depolarization)时，会爆发出一阵阵高频的伽马波。令人惊讶的是，这种伽马波并非单一频率，而是分成了两个截然不同的频段：一个低伽马频段 (30-60赫兹)和一个高伽马频段 (70-110赫兹)。并且，这两个频段的伽马爆发，精确地出现在δ波的不同相位上。高伽马波的峰值出现在δ波峰值之前约56毫秒，而低伽马波的峰值则紧随其后约17毫秒。这种在毫秒尺度上的精准时序控制，揭示了大脑信息处理的复杂性和精细度，是传统电生理记录难以企及的。

而在清醒小鼠的海马体中，他们也观察到了经典的“θ-伽马耦合”。当小鼠奔跑时，PV神经元中的伽马波功率，会随着θ波的相位周期性地起伏，并在θ波的波谷附近达到顶峰。这些发现不仅展示了uSMAART强大的记录能力，也为我们理解大脑如何通过多层次的节律协同工作，提供了宝贵的细胞级别线索。

大脑“天气图”：TEMPO显微成像系统的全景视野

如果说uSMAART光纤系统是一个超灵敏的“单点麦克风”，那么研究团队开发的另一件“神器”——TEMPO介观显微镜 (mesoscope)，则更像一台能够绘制大脑活动“天气图”的高分辨率卫星。它不再局限于单个点，而是能同时对大脑皮层表面一个直径近8毫米（覆盖约20个不同脑区）的广阔区域进行成像，实时捕捉神经电活动在空间中传播的动态，也就是“行波” (traveling wave)。

要实现如此大范围、高速度的电压成像，技术挑战同样巨大。其中最大的难题是如何处理空间上不均匀的生物噪音。例如，大脑表面的血管网络纵横交错，不同位置的血流变化（即血红蛋白浓度变化）各不相同。这意味着，成像区域中每个像素点的“噪音”都是独特的。简单的信号相减或回归分析，已无法有效去除这种复杂的、空间异质性的噪音。

为此，研究团队开发了一种全新的、基于“卷积滤波” (convolutional filtering)的计算方法。这个算法的构想非常巧妙。它假设在每一个频率上，GEVI信号中的“噪音”成分与参考通道记录到的“纯噪音”信号之间，存在一种线性的、但可能有时延的转换关系。算法通过分析整段记录，为每一个频率都“学习”到一个专属的“滤波器” (filter)。这个滤波器就像一个“噪音转换配方”，精确描述了在该频率下，参考信号是如何“污染”GEVI信号的。然后，算法用这个“配方”来预测并从GEVI信号中“手术般”地移除噪音，最终得到纯净的神经电压信号。

这种频率依赖的去噪方法，其效果远超传统方法。数据显示，传统的线性回归虽然能去除部分噪音，但往往会把参考通道中的高频噪声“泄露”到电压信号中，造成二次污染。而卷积滤波法则能完美避免这一点，它既能高效去除心跳、呼吸等各种频段的生理噪音，又能完好地保留下神经元发出的高频电压信号，保真度极高。正是这一算法上的突破，才使得TEMPO显微镜能够捕捉到那些在大脑皮层上转瞬即逝的电压行波。

追波逐浪：时空密码的惊人发现

装备了TEMPO显微镜和强大的去噪算法，研究团队开始在大脑中“追逐”那些神秘的电波。

首先，在麻醉小鼠的大脑皮层，他们再次看到了δ-伽马耦合现象，但这次是以“行波”的形式呈现。他们发现，一个缓慢的δ波，如同一道巨大的浪潮，稳定地从大脑的前部向后部 (anterior to posterior)传播。然而，令人震惊的景象发生了：嵌在这些δ波波峰上的高频伽马波，并没有跟随δ波一同向后传播，而是以一种近乎垂直的方向，从内侧向外侧 (medial to lateral)传播！这两种耦合在一起的脑电波，其传播方向居然是正交的！这个发现打破了我们以往的直觉，即耦合的节律应该“同生共死，同向而行”。它揭示了大脑中可能存在着极为灵活和复杂的信息路由机制，就好像一道海浪拍向沙滩，而浪花上的涟漪却沿着海岸线在奔跑，两者虽有耦合，却承载着流向不同方向的信息。

接下来，他们将目光转向了清醒小鼠在奔跑时的海马体。在这里，他们对β波 (15-30赫兹)和θ波 (5-9赫兹)的传播模式进行了前所未有的高分辨率成像。

关于β波，之前的研究只知道它的存在，但对其空间动态知之甚少。TEMPO显微镜首次揭示，海马体中的β波并非原地振荡，而是行波。更有趣的是，这种β波存在两种截然不同且相互正交的传播模式。一些β波沿着海马体的CA3到CA1的轴向传播，而另一些则沿着与之垂直的隔-颞轴 (septal-to-temporal axis)传播。两种模式的波速几乎完全相同，均为每秒约220毫米。这一发现意义重大，因为它暗示着β节律可能沿着不同的解剖通路，传递着不同类型的信息，参与着不同的计算任务。

而关于θ波的发现则更加颠覆认知。θ波被誉为“记忆的节律”，经典的理论认为它是由海马体中的一个“起搏点”产生，并单向传播的。然而，TEMPO显微镜的观察结果却显示，海马体中的θ波是双向传播的！研究团队通过对比普通PV神经元和一类只向特定脑区（外侧隔，LS）投射的锥体神经元，清晰地看到了这一点。他们发现，在PV神经元群体中，既有从CA1区传向CA3区的θ波，也有从CA3区反向传回CA1区的θ波。这两种方向相反的波，其传播速度甚至也略有不同（顺向波速为每秒35毫米，逆向波速为每秒42毫米）。而在那些LS投射神经元中，θ波则主要表现为单向传播。这种双向传播模式的存在，对传统的θ波生成模型提出了巨大挑战，表明海马体内部的信息流动远比我们想象的要更加动态和复杂，可能是一种“推拉式”的相互作用，而非简单的“广播”。

终极二重奏：同时聆听两种神经元的“对话”

这项研究的另一个里程碑式的成就是，他们实现了在同一只动物、同一个脑区，同时记录两种不同类型的神经元活动。这就像在交响乐队中，同时为小提琴声部和长笛声部各放置一个专属麦克风，聆听它们的“对话”与“合奏”。

研究团队通过病毒工具，在视觉皮层的PV抑制性中间神经元和兴奋性锥体神经元 (pyramidal cell)中，分别表达了两种不同颜色和特性的GEVI探针。当给小鼠呈现视觉刺激后，他们记录到了一种有趣的3-7赫兹振荡，这种振荡在刺激结束的瞬间出现。通过同时比较两种神经元的荧光信号，他们发现兴奋性神经元的活动，似乎总是比抑制性神经元的活动要早一点点。

然而，严谨的研究人员并未止步于此。他们敏锐地意识到一个潜在的“陷阱”：不同的GEVI探针本身，其反应速度 (kinetics)可能就不同。这种探针自身的延迟，可能会掩盖或歪曲真实的生理延迟。为了解决这个问题，他们进行了一系列对照实验。他们将两种GEVI探针的表达对象互换（即PV神经元表达原本在锥体细胞中的探针，反之亦然），并进行了多组不同组合的实验。通过这种方式，他们建立了一个数学模型，可以像解一个联立方程组一样，精确地“求解”出每种探针自身的延迟，以及排除了探针影响后，两种神经元之间最真实的生理延迟。

最终的计算结果令人信服：在视觉皮层的3-7赫兹振荡中，兴奋性锥体神经元的活动，精确地领先于PV抑制性中间神经元约2.3毫秒。这个数字，无论在哪种GEVI组合的实验中都惊人地一致。这为我们理解视觉信息处理过程中，兴奋与抑制两种力量如何相互作用，提供了一个坚实的、毫秒级的时间证据，也为未来构建更精确的皮层环路计算模型，设定了黄金标准。

一曲未完的交响

TEMPO技术的诞生，无疑是神经科学领域的一次“装备革命”。它如同一扇新开启的窗户，让我们能够以全新的视角去观察和理解大脑。uSMAART系统的超高灵敏度，让我们能在自由探索的动物中，捕捉到单个神经元群体的“心声”；TEMPO显微镜的广阔视野和高时空分辨率，则为我们绘制出了一幅幅壮丽的、全脑尺度的神经电波“动态地图”。

基于这项技术，研究人员已经为我们带来了诸多颠覆性的发现：从皮层中正交传播的耦合电波，到海马体中双向流动的记忆节律，再到兴奋-抑制神经元间毫秒级的精准“对话”。这些发现不仅深化了我们对大脑基本工作原理的认识，也为探索神经和精神疾病的机制开辟了新的道路。例如，癫痫、阿尔茨海默病、帕金森病等，都与大脑节律的异常密切相关。未来，利用TEMPO技术，我们或许可以直接观察到在这些疾病模型中，特定类型的神经元是如何“演奏失常”的，从而为开发更精准的治疗策略提供线索。

我们可以预见，一个脑科学研究的新时代正在开启。我们不再仅仅满足于听到大脑交响乐的“混响”，而是开始能够分辨出每一个声部的旋律，甚至能看到指挥家（或许是大脑自身）手中那根无形的指挥棒是如何引导整个乐队的。TEMPO技术为我们提供的，正是这样一张通往大脑音乐厅最前排的“门票”，甚至是一份详尽的“乐谱”。这首关于大脑的交响乐，其最华美的乐章，或许才刚刚开始。

参考文献

Haziza S, Chrapkiewicz R, Zhang Y, Kruzhilin V, Li J, Li J, Delamare G, Swanson R, Buzsáki G, Kannan M, Vasan G, Lin MZ, Zeng H, Daigle TL, Schnitzer MJ. Imaging high-frequency voltage dynamics in multiple neuron classes of behaving mammals. Cell. 2025 Jul 14:S0092-8674(25)00730-5. doi: 10.1016/j.cell.2025.06.028. Epub ahead of print. PMID: 40675148.