IF36.1｜Neuropixels Opto：电生理与光遗传学一体化探针

一根探针同时记录近千个神经元并精准操控两类细胞。

这篇按生信解读号的读法拆：先看背景和问题，再看作者怎么做、做出了哪几条硬发现，最后把数据和代码收走。

研究背景

高密度细胞外电生理是记录神经群体活动的金标准，而光遗传学则能对特定细胞类型进行毫秒级操控。两者结合可以验证特定神经群体在神经活动中的因果作用，或通过‘光标记’鉴定记录到的神经元所属的遗传类别。然而，传统光遗传学依赖额外植入光纤或波导，空间分辨率有限且侵入性强。已有的光电极（optrode）方案要么记录位点少，要么microLED效率低导致产热严重，难以在深部脑区实现高强度、高空间分辨率的双色刺激。因此，领域亟需一种将大规模电生理记录与可寻址光刺激无缝集成的单一设备。

科学问题

卡在哪里： 现有光电极记录通道数有限，或光输出强度不足且产热高，无法在深部脑区实现高空间分辨率的双色光遗传操控，同时保持高质量的大规模电生理记录。

本文要回答： 开发一种集成高密度电生理记录与双色可寻址光刺激的探针，并验证其在皮层和纹状体等脑区的激活、抑制及光标记能力。

技术路线

作者主要用了：CMOS电生理、SiN光波导、双色光发射器、光遗传学、光标记。

作者将Neuropixels 1.0的CMOS记录电路与SiN光波导层单片集成，在70 μm宽、1 cm长的探针柄上排布960个记录位点和两组各14个光发射器（红638 nm、蓝450 nm）。光由外部激光器经光纤耦合进入探针，通过片上光开关树路由至指定发射器，实现空间寻址。先对探针进行电学和光学表征，然后在清醒小鼠视觉皮层验证局部激活，在背侧皮层验证抑制性神经元驱动的局部环路效应，最后在纹状体等深部脑区进行双色光标记，鉴定D1/D2中型多棘神经元等细胞类型。

图 1　Fig. 1。图1展示探针结构：a为横截面，显示TiN记录位点、CMOS层和SiN光波导及光栅发射器；b为记录位点和双色发射器布局；c为探针柄上红蓝发射器依次发光的照片；d为封装后器件；e为系统架构，包括PXI模块用于数据采集和光控制。该图突出单片集成设计，将电子与光子电路结合在70 μm宽的柄上。

核心亮点

亮点 1｜探针电学性能媲美Neuropixels 1.0

尽管增加了光子层，Neuropixels Opto探针的电极阻抗为138±27 kΩ，AP频段噪声5.45±0.02 μV，LFP频段噪声5.33±0.03 μV，均低于Neuropixels 1.0和2.0的典型值。在视觉皮层记录中，单位产量为0.23±0.09 units/site，与Neuropixels 1.0在相同脑区的产量（0.22±0.10）相当。这表明光子集成未损害电生理记录质量，为后续光遗传实验提供了可靠基础。

图 2　Fig. 2。图2展示发射器效率：a为14个红/蓝发射器的输出光功率占输入功率百分比，红平均2.07%，蓝平均0.24%；b为红蓝光在水中的传播图像，显示光向下发射；c-e为光强分布和覆盖范围。该图说明尽管损耗较大，但100 μW输出即可在>100 μm范围内达到10 mW/mm²，足以激活神经元。

亮点 2｜发射器实现高空间分辨率激活

14个发射器间距100 μm，覆盖1.5 mm深度。在CaMK2-ChRmine小鼠视觉皮层，单个发射器400 ms红光脉冲激活的神经元群体垂直范围（FWHM）为151±71 μm，与发射器间距相当，表明可实现对不同深度神经元群体的独立操控。对照实验显示海马区无激活，未注射病毒的小鼠无光诱发反应，排除了热效应和视网膜激活的干扰。

图 3　Fig. 3。图3展示视觉皮层局部激活：a为实验示意图，探针插入表达ChRmine的视觉皮层；b为单个发射器刺激时附近记录位点的电信号；c为五个示例单单位波形；d-f为基线活动和不同发射器刺激引起的深度特异性激活。该图证明发射器能空间特异性地激活局部神经元群体，且激活范围与发射器间距匹配。

亮点 3｜局部激活抑制性神经元驱动环路效应

在DLX2.0-ChrimsonR小鼠背侧皮层，红光刺激激活的神经元主要为窄波形（推测为快速放电抑制性神经元），而宽波形（推测为锥体神经元）则被抑制。激活和抑制均局限于发射器附近深度，且部分激活-抑制神经元对之间的互相关图符合单突触抑制连接特征。这表明探针能够通过激活局部抑制性神经元，经突触传递抑制兴奋性神经元，实现局部环路操控。

图 4　Fig. 4。图4展示抑制性神经元驱动的局部环路效应：a为实验示意图，表达ChrimsonR的抑制性神经元；b为红光刺激时20个记录位点的电信号，显示一个单位被激活（绿）和一个被抑制（紫）；c-e为光标记的激活和抑制单位波形及分类；f为激活-抑制神经元对的互相关图；g为激活和抑制单位的深度分布。该图表明局部激活抑制性神经元可经突触抑制邻近兴奋性神经元。

亮点 4｜双色光标记高效鉴定两类神经元

在纹状体同时表达CoChR（蓝光敏感）于D1 MSNs和ChRmine（红光敏感）于D2 MSNs，使用10 ms、20 Hz光脉冲进行光标记。示例实验中39个记录单位中有25个被成功标记，标记单位在水平方向覆盖整个探针宽度，垂直方向分布与未标记单位无差异，表明100 μm发射器间距无覆盖间隙。总体在40个session中标记了261个单位，涉及多种细胞类型组合。

图 5　Fig. 5。图5展示纹状体双色光标记：a为实验示意图，两根探针插入纹状体，D1 MSNs表达CoChR，D2 MSNs表达ChRmine；b为一次光脉冲的原始记录，显示两个被红光标记的单位；c-e为两个单位的波形、光栅图和发射器位置响应；f为标记单位比例。该图证明探针能在深部脑区同时标记两类神经元，且标记效率高。

生信可带走

这一块是给做分析的人用的，不是科普点缀。

• 方法栈： CMOS电生理、SiN光波导、双色光发射器、光遗传学、光标记
• 公开数据： 原文未给出公开组学登录号
• 代码： 原文未给出公开 GitHub/GitLab 仓库
• 谁该点开原文： 从事在体电生理、光遗传学、神经环路追踪和细胞类型分类的研究者。

带走一句

Neuropixels Opto将大规模电生理与双色可寻址光刺激集成于单一探针，为因果神经环路解析和细胞类型鉴定提供了高效工具，尤其适合深部脑区研究。