2025年9月17日，《自然-神经科学》发表的一项技术报告，介绍了一种全新的高通量突触连接映射框架。该框架巧妙结合了双光子全息光遗传学与压缩感知（Compressive Sensing）算法，首次在活体小鼠视觉皮层中实现了对上百个潜在突触前神经元与一个突触后神经元之间功能连接的高效、快速解析，将传统方法的通量提升了十倍以上。
解析大脑神经环路的功能连接图谱——即“活体连接组”，是理解感知、认知和行为神经基础的核心目标。然而，现有技术在活体动物中以单细胞分辨率绘制突触连接时，面临通量极低的瓶颈。传统双电极膜片钳记录一次仅能测试一对神经元，且成功率极低；而新兴的光学方法虽能扩大刺激范围，但在体应用时又受限于信噪比、记录稳定性和分析速度。
来自法国国家科学研究中心（CNRS）和意大利理工学院（IIT）的联合团队，通过三大技术创新的有机整合，成功攻克了这一难题。
三大支柱技术：精准操控、高通读取与智能解析
该框架的核心由三个紧密协作的部分构成：
精准操控：双光子（2P）全息光遗传学。研究者利用时空聚焦与计算机生成全息图（CGH）技术，将高功率近红外激光调制成多个细胞尺寸的激发光斑，可同步或分时精准激活表达体细胞限制性超快视蛋白ST-ChroME的多个突触前神经元。这使得诱发动作电位（AP）的延迟仅数毫秒、时间抖动亚毫秒，且空间分辨率达细胞级。
高通读取：顺序或并行刺激+全细胞记录。在顺序映射模式中，系统逐个快速激活视野内所有候选突触前细胞（最多100个），并记录突触后神经元的电流反应，约5分钟即可完成一个视野的扫描。在并行映射模式中，系统则按预设的随机组合，同时激活多个突触前细胞，进一步压缩测量次数。
智能解析：压缩感知（CS）算法。对于并行刺激产生的混合突触后反应，CS算法可利用神经连接的稀疏性（真实连接只占少数），从远少于候选细胞数的测量中，精确地“解混合”并重建出真实的连接矩阵，从而大幅提升映射速度。
顺序映射：高效、精准地绘制局部连接图谱
研究者首先在麻醉小鼠的视皮层（V1）第2/3层验证了顺序映射模式。在12个视野中，他们共测试了549对潜在的突触前-后神经元，成功鉴定出41个功能性兴奋性连接，平均连接概率约为7.6%，突触后兴奋性电流（EPSC）幅度在5-24 pA之间。
分析显示，这些连接的概率随神经元胞体间距增加而下降，90%的连接位于200 μm范围内。重要的是，每个视野的实验耗时仅约5分钟，平均每个实验能发现约3.4个连接，将传统电生理方法的发现效率提升了十倍以上。
并行映射+压缩感知：速度与精度的权衡
为进一步突破通量，研究者测试了并行刺激结合CS的策略。他们首先通过模型模拟，确定了刺激模式数（M）、每次激活细胞数（F）与连接稀疏度（k）对重建精度（精确率与召回率）的影响。最优参数显示，使用约20%的候选细胞进行组合刺激，可在保证较高精度下将测量次数减少数倍。
在体实验中，当压缩比（CR，候选细胞数/测量次数）达到3（即测量次数减少三分之二）时，CS算法仍能成功找回超过80%的真实连接。值得注意的是，算法的表现高度依赖于网络的稀疏性：在连接概率低于4%的极稀疏网络中，即使CR=3，召回率仍高达100%；而在连接较密集的网络（>10%）中，精度和召回率则有所下降。
总结与展望
这项研究首次在活体哺乳动物大脑中，建立了一套结合全息光遗传学与压缩感知的高通量突触映射框架，为系统解析“活体连接组”提供了强大的新工具。其核心优势与潜力在于：
显著提升通量与速度：顺序映射已比传统方法快十倍以上；并行映射结合CS更可进一步压缩时间，使得在有限实验窗口内解析更大规模的局部环路成为可能。
开辟长程连接映射新途径：CS对稀疏连接尤为高效，这恰好是解析不同脑区之间长程稀疏投射的理想特性。未来该框架有望用于绘制跨脑区的宏观功能连接图谱。
全光学化的前景：目前突触后信号依赖膜片钳读取。若未来能将电压敏感荧光蛋白成像技术与本框架结合，有望实现完全非侵入、高通量的全光学突触连接组学，极大推动对活体大脑计算架构的理解。
参考文献：
Nat Neurosci 28, 2141–2153 (2025).
相关阅读：
- Packer, A. M. et al. Two-photon optogenetics of dendritic spines and neuronal circuits. Nat. Methods 12, 1202-1208 (2015).
- Hage, T. A. et al. Synaptic connectivity to L2/3 of mouse visual cortex measured by two-photon holographic optogenetics. Cell Rep. 28, 2019-2029 (2019).