科大團隊研發創新技術 實現腦迴路的精確讀取與控制 推動腦部疾病機制研究

由香港科技大學（科大）電子及計算機工程學系教授瞿佳男教授、生命科學部訪問助理教授Julie L. SEMMELHACK教授共同領導的跨學科研究團隊，成功研發一項嶄新的雷射控制技術。該技術運作方式猶如智慧調光器，可在雷射掃描過程中精準、選擇性地控制每個像素的亮度，從而避免非目標神經元被意外激活，大幅提升全光學腦成像和調控的精準度。此科研突破有望推動腦部疾病機制研究，並促進相關動物疾病模型在新藥研發中的應用。此研究成果已發表於國際學術期刊 《自然通訊》，論文題為「用於無串擾全光學腦神經環路解析的主動像素功率控制方法」。

解決腦活動觀測的串擾問題
近年，隨着「全光學神經環路解析」技術的進步，科學家已能精確地鎖定引發身體動作、感知或情緒反應的相應神經元。此技術的誕生源於科學界兩大突破：一是基因編碼的活性感測器，例如鈣離子螢光指示劑可令神經元在放電時發光，透過現代顯微鏡便可實時觀測神經活動；二是光遺傳學效應器，即光敏感蛋白，例如視紫紅質通道蛋白，能利用光控制特定神經元的開關，操縱神經元及環路功能。

然而，這種具備高速和單細胞級精確度的方法，在使用紅外線雷射觀察某些神經元時，仍有可能在過程中意外激活鄰近的其他神經元並引發放電，導致難以判斷觀察到的放電訊號究竟源自腦部的自然活動，抑或由於實驗操作人為干擾所造成的假訊號，此類「串擾」現象的出現會影響整體測量與分析的準確性。

瞿教授表示：「全光學方法雖然極具潛力，但串擾問題一直限制其發展。當使用顯微成像觀察神經環路時，成像光會暗地裏影響神經元以至整個神經環路的運作。」

為掃描像素配備「智慧調光器」
為避免人為干預產生的假訊號，科大團隊開發出「主動像素功率控制」（Active Pixel Power Control，簡稱APPC）技術。這項技術的運作如實時智能調光器，能借助自定制映射軟件進行引導，識別出光遺傳蛋白的表達位置和水平，同時使用快速聲光調製器，動態地調整每個掃描像素的雷射功率。具體而言，它可針對特定區域的表達光遺傳蛋白神經元，降低其功率甚至完全關閉雷射，但同時保持大腦其他區域均勻及穩定的光照強度，減少串擾問題。

Semmelhack教授指出：「這是一個概念簡單，但以技術實現卻極具挑戰性的想法。新技術能選擇性地保護實驗中需要刺激的神經元，而毋須犧牲大腦其他區域的數據質量。」

斑馬魚幼體與人類腦部的基因逾七成相似，常被用於腦科學研究。為測試新技術的性能，團隊以斑馬魚腦部進行活體實驗，結果顯示新技術能保持神經元訊號的質素，同時抑制光遺傳學的假象，減少串擾問題。新技術更能與全球廣泛使用的標準雙光子顯微鏡相容，毋須更換整套系統，即可構建實用且高性價比的實驗研究平台。除了斑馬魚外，新技術亦可應用於其他動物模型，尤其是現代神經科學中常用的小鼠。

瞿教授表示：「全光學神經環路解析技術讓我們能更精準地探究腦迴路如何驅動行為，團隊研發的APPC技術更解決了串擾問題，令這項技術更具潛力去取代傳統電極方法。」

Semmelhack教授補充道：「研究不但展示了精密光學技術與活體環路神經科學結合的成果，更是工程與生物學團隊攜手合作的典範。我們期待新技術能夠獲得更多研究團隊採用，更深入探究大腦運作機制，促進腦病理學研究的前沿發展。」

瞿教授和Semmelhack教授為研究共同通訊作者，共同第一作者包括電子及計算機工程學系博士生嚴格威先生，以及生命科學部博士後研究員田廣楠博士。項目獲香港研究資助局轄下協作研究金及優配研究金計劃支持開展。