深穿透多尺度光遗传学精准操控方法研究

Optogenetics becomes one of the most important and widely used tools in neuroscience. It was evaluated as the “Method of the Year” by Nature Methods and highlighted in the article “Breakthroughs of the Decade” by Science in 2010. However, the lacking of precise manipulation in subcellular scale becomes the bottleneck to investigate the function and mechanism of the neural circuits. Besides, the invasively embedded optical fiber also restricts the researches in neuroscience. On the basis of our previous study, we propose a non-invasive optical manipulation method with subcellular precision and deep penetration depth, through the integration of new nano-materials, two-photon optogenetics, and photoacoustic techniques. The aim of this project is to establish an optical system to achieve the precise optical manipulation with subcellar or even higher resolution, and further to carry out the researches in neuroscience. The implementation of this project is to provide new ideas for the researches on brain and brain diseases on cells, neural circuits, and brain levels, to promote the further development of neuroscience, and to lay the foundation for the precise optogenetics techniques with independent property rights.

光遗传学技术被Nature Methods和Science评价为“年度技术”和“前沿技术”，是脑科学研究的重要工具。然而，现有光遗传学操控系统在性能上存在不足，如需损伤性植入光纤、缺乏（尤其在大脑皮层深区）亚细胞尺度的精准光操控能力等，已经成为脑研究方法学上的瓶颈。本项目在我们前期研究基础上，提出了非侵入性深穿透多尺度分辨的光遗传学光操控方法，通过研发并融合新型红外上转换纳米材料、基于散射补偿的深穿透双光子光遗传技术和声光混合超深穿透光聚焦技术，以期实现浅层亚微米尺度、深层（毫米级深度）亚细胞尺度光遗传学精准光操控。本项目拟设计并搭建相应的光学系统，测试该新型光操控方法在神经环路中的操控效果，开展脑网络的宏环路、环路和微环路的相关研究。本项目的实施有望在细胞、环路、脑区层次上为脑科学和脑疾病的研究提供新思路，推动基础与临床脑科学的进一步发展，为形成具有自主产权的光遗传学技术产品奠定基础。

光遗传学被广泛地用于神经科学的各个研究领域，从某种意义上说，它推动了整个神经科学领域的快速发展。但是，传统光遗传学技术一般需要在活体动物脑中损伤性插入光纤，无法实现单细胞精度的神经光调控。项目组在前期研究基础上，开发深穿透亚细胞精度光遗传学精准操控技术，以填补传统光遗传学光刺激技术的空白。为了在脑组织内部原无法聚焦的深部实现高质量光聚焦，项目组先后开发了多种基于深度学习的高速波前传感技术，在国际上首次建立了基于点扫描系统的深度学习相差校正理论体系，相对于传统探测方法，实现了高达90%的准确度提升和近1000倍的速度提升；同时，深入研究在复杂介质中声学反演误差对散射光谱的影响，建立了基于散射矩阵分析的光谱串扰方程，并通过数值求解获得方程解的形式。在这些理论基础上，先后开发了双光子光遗传学精准光操控新技术，创新性地提出了一种高效光束整形方法，实现了无散斑点的精准图案焦斑，并研制了原型样机，实现了双光子高速荧光成像同时双光子图案化高效高分辨率光激活；开发了基于传输矩阵的细胞精度光纤型单光子光操控新技术，能穿透数毫米的生物组织依然保持良好聚焦，实现高速、精准、灵活、高效的单光子单细胞精度光纤光刺激，突破光纤刺激精度取决于光纤尺寸的技术壁垒；开发了基于自适应光学的单光子单细胞精度光刺激新技术，实现穿过500微米小鼠脑片或3层颅骨后的快速单光子聚焦，且聚焦光斑尺寸可调，最终实现单细胞精度精准光刺激。此外，项目组还开发了适用于复杂介质聚焦及成像的光-声耦合自适应断层重建方法，并利用近红外二区材料，开发了一套近红外二区荧光共聚焦成像系统和深穿透高分辨多通道成像新方法，并进一步探究了下转换光热激活神经元的方法。项目组总共发表SCI收录文章45篇，授权国家发明专利17项，转化科研成果5项，培养青年长江1人，省杰青1人，博士生20人，博士后4人，获得省部级奖励一等奖1项，浙江省自然科学一等奖1项，主办国际学术会议 4次。