神经回路成像的新见解单光子和双光子技术的比较

为了揭示神经回路的复杂性，科学家们开始使用基因编码电压指示器 (GEVI) 来可视化大脑中的电活动。这些指示器对于了解神经元如何交流和处理信息至关重要。然而，单光子 (1P) 与双光子 (2P) 电压成像的有效性一直是争论的话题。哈佛大学研究人员最近的一项研究揭示了这两种成像技术的相对优点和局限性，为科学界提供了宝贵的见解。

据《神经光子学》报道，​​研究团队对 1P 和 2P电压成像进行了全面比较，重点关注每种方法独有的光学和生物物理约束。他们评估了 1P 和 2P 照明下常用 GEVI 的亮度和电压灵敏度。此外，他们还测量了小鼠大脑中荧光如何随深度而减弱，这是体内成像的一个关键因素。

为了量化他们的研究结果，研究人员开发了一个模型，该模型可以根据报告属性、成像参数和所需的信噪比( SNR) 预测可测量细胞的数量。他们还探索了传感器技术和成像模式的进步如何影响电压成像的性能。

该研究的一项重要发现是，与 1P 激发相比，2P 激发需要每个细胞大约 10,000 倍的照明功率才能实现类似的光子计数率。这种巨大的功率需求对 2P 电压成像提出了挑战，特别是在组织光损伤和散粒噪声方面。

例如，使用小鼠皮层中的 JEDI-2P 指示器，目标 SNR 为 10、测量带宽为 1 kHz、激光功率限制为 200 mW、重复率为 80MHz，2P 成像可以同时记录深度大于 300 微米的不超过约 12 个神经元。

研究人员得出结论，当前 GEVI 对光子数量有严格的要求，电压灵敏度也较低，因此 2P 电压体内成像是一项极具挑战性的任务。要实现数百个神经元在相当深处的高信噪比，就必须对 2P GEVI 进行大幅改进，或者开发全新的成像方法。

这项研究突出了 1P 和 2P 电压成像之间的权衡，并强调了成像技术需要不断创新，以推进我们对神经回路的理解。随着研究人员努力克服这些挑战，从这项研究中获得的见解无疑将指导该领域的未来发展。