皮层大范围透明光电成像技术揭示无意识大脑神经元运作模式

关键词：皮层光电接口；爆发抑制；神经元集群

研究搭建了皮层范围光电双模神经接口系统，在高时空分辨率下同步采集背侧皮层上万单个神经元钙成像信号与 32 通道皮层脑电信号，解析异氟烷诱导爆发‑抑制脑节律状态下跨尺度神经元活动组织规律。研究推翻了爆发‑抑制模式中抑制阶段为全局静默的传统认知，证实抑制阶段存在功能特异的神经元集群；同时揭示爆发事件由侧向感觉皮层向内侧运动皮层定向传播，并通过共享方差组分实现宏观脑电信号与微观神经元钙活动的定量关联，为无意识大脑状态的皮层动态机制提供新的解释框架。

该研究相关成果文章为《Dynamic neuronal ensembles encode burstsuppression revealed by cortex-wide opticalelectrical interfaces》，2026年发表于《Nature Communications》，通讯作者为 Guihua Xiao、Jiamin Wu、Qionghai Dai 与 Xiaochuan Dai。

重要发现
01透明光电神经接口系统的表征验证
本研究采用由金环、氧化铟锡与PEDOT 构成的透明皮层脑电电极阵列，开展长期在体双模记录性能评估。传统不透明金电极会遮挡光路，造成成像信号衰减；该透明电极具备较高光学透过率，适配钙成像 485‑515nm 激发与发射波段，在 20 μm 至 200 μm 不同成像深度条件下，电极下方与电极周边神经元的钙信号信噪比、荧光强度均无统计学显著差异。

实验持续开展长达28 天的慢性记录，持续监测荧光信号信背比与皮层脑电信号信噪比，同时统计多只小鼠可用工作电极占比。长时间观测结果显示，该器件阻抗与记录性能维持稳定；连续、脉冲两种光照条件下光诱发电生理伪迹可忽略。器件可以同时获取电极正下方区域神经元钙活动，解决传统金属电极遮挡成像视场，无法观测电极覆盖区域神经元活动的局限。

抑制相关神经元的活动强度弱、异步发放，采样范围有限的记录手段很难检出该类群体。两类神经元集群交替激活，构成类似竞争皮层协同单元的动态模式。研究进一步统计神经元重复激活比例、激活时序，结合曼‑惠特尼 U 秩检验计算神经元钙信号的皮尔逊相关系数，结果表明相比清醒状态，爆发、抑制阶段神经元之间功能相关性显著提升。在脑区层面将神经元活动按解剖分区取平均，构建 28 个皮层脑区的功能连接矩阵，不同意识状态下网络连接强度、节点中心性、聚类系数均出现状态依赖性改变。

选取每个电极位点半径13 μm 范围内的神经元，以爆发起始时刻为零点，设置 ±2s 时间窗口，计算钙信号与皮层脑电信号互相关。内侧运动皮层神经元与脑电信号耦合强度更高，侧向感觉皮层存在相位偏移，同步性更低。统计各个聚类内部神经元钙信号峰值时间的波动，经威尔科克森符号秩检验证实不同脑区神经元相位延迟存在统计学差异，说明爆发‑抑制转换过程中皮层活动存在区域异质性的时空演化。

在单细胞层面对比真实钙信号与由脑电重构得到的预测信号，相关分析显示预测精度呈现爆发＞抑制＞清醒的梯度。麻醉爆发‑抑制状态神经动态收敛为低维、模式化活动，信号可预测性更高；清醒状态对应高维度复杂神经活动，预测效果下降。这一结果证明宏观脑电与单细胞钙活动的耦合具备强状态依赖性，爆发阶段神经元同步性、网络连通性提升，宏观与微观神经信号实现汇聚整合。

创新与亮点
本研究开发的透明皮层脑电阵列解决传统金属电极遮挡成像视场的技术难题，实现电极覆盖区域神经元的钙成像观测，可长期开展光电双模在体记录，几乎不引入光照伪迹。该技术可以同步获取皮层大范围单细胞尺度钙活动与宏观脑电信号，适用于麻醉、意识转换等动物在体神经动态研究。借助该技术，研究识别出抑制相位特异激活的神经元集群，解析爆发‑抑制的皮层传播方向，建立跨尺度信号定量映射手段，为解析无意识脑状态提供全新实验工具与分析范式。

总结与展望
该工作依托透明光电双模神经接口，完成小鼠背侧皮层大规模单细胞钙成像与皮层脑电同步记录，证实爆发‑抑制节律中抑制阶段并非皮层静默，存在两类交替激活的神经元集群，明确爆发活动由感觉皮层向运动皮层传播，建立宏观电信号与微观神经元活动的定量关联。后续可以进一步拓展器件应用场景，在更多意识相关模型中开展跨尺度神经动态观测，进一步解析不同脑状态转换背后的皮层环路机制。

Wei Qin et al. ,Amphiphilic hemicyanine molecular probes crossing the blood-brain barrier for intracranial optical imaging of glioblastoma.Sci. Adv.11,eadq5816(2025).

doi:10.1126/sciadv.adq5816