一种大规模光遗传神经生理学平台，用于提高非人灵长类动物行为实验的可及性

为工作中大脑打开一扇窗

理解大脑活动如何产生行为是神经科学面临的重大挑战之一，尤其是在那些大脑结构与我们相近的物种中。本文介绍了一种新的实验平台，让科学家们能够向猴子的大脑照射光以抑制或激活特定神经细胞，同时记录由此产生的脑电活动并观察行为变化。通过使该工具包更稳定、更易使用，这项工作旨在加速对中风、抑郁症及其他脑疾病的研究。

用于光控大脑的新工具包

研究团队着手解决一个实际问题：光遗传学——使用对光敏感的蛋白来控制神经元——已经改变了啮齿类研究，但在猴子身上应用要困难得多。较大的大脑需要更广的覆盖范围，长时间的实验要求硬件能够安全地持续数年，许多实验室也无法获得专门的外科影像设备。团队设计了一个模块化平台，整合了五个关键部分：定制的颅骨安装腔室、既透明又可充当电极阵列的人造脑膜、能够覆盖大面积的柔性光源、一种更简单的将光敏蛋白扩散到广泛区域的方法，以及用于清除电记录中与光有关噪声的软件。

带有内置监听点的清晰窗口

系统的核心是一种“多模态人造硬脑膜”，这是一种柔软、透明的帽状结构，替代了部分天然脑膜。在这层透明薄片中嵌入了数十个微小电极，它们轻轻贴在大脑表面，能在大范围内记录电活动。该帽子呈浅礼帽形，帽檐滑入切除的天然膜边缘之下，以抑制会阻挡光线的再次生长。来自电极的电缆被安放在固定于颅骨的钛腔室内部的槽中，既能在需要时方便地连接记录设备，又能在会话间安全存放。在两只恒河猴上，这个腔室和帽子分别保持稳定近四年和五年。

大尺度递送光和光敏蛋白

为了控制神经元，团队首先需要在大面积顶叶皮层上扩散一种抑制性光敏蛋白，称为Jaws。他们没有依赖于从点注射的缓慢扩散或技术要求高的MRI引导程序，而是使用了对流增强输送：一根带阶梯尖端的微小针头在压力下将病毒溶液轻柔泵入组织，使其均匀地在周围脑组织中扩散。因为通过手术开口可以直接看到脑表面，临床人员能够立即发现并纠正任何渗漏。数周后，透明帽使他们能够在相同区域成像绿色荧光，确认在数十平方毫米范围内成功表达。在刺激方面，团队构建了红光和蓝光波长的平面LED阵列，置于透明帽上方，并用玻璃盖和空气间隙隔开以限制加热。LED由平滑的模拟电流驱动以避免记录中的电噪声，并可在空间和时间上做图案化以刺激皮层的不同小片区。

在光下监听并探测运动

明亮的光闪会产生自身的电伪影，这些伪影可能淹没神经元的微弱信号。为了解决这个问题，研究者先在简单的盐溶液中记录刺激产生的信号模式，然后用这些模式从猴子的脑电记录中去除光诱导的伪影。应用该校正后，他们证明在表达Jaws的组织上施以红光能可靠改变脑电节律，无论动物是在静息还是执行伸手任务时。令人惊讶的是，尽管Jaws旨在抑制神经元，表面记录常常显示许多频段的功率增加。模拟和先前工作表明一种可能机制：表层的强抑制可能解除对深层细胞的常态抑制，使那些对表面信号贡献最大的层活动增加。

用短促光脉冲放慢一次伸手

为测试这些神经变化是否影响行为，猴子被训练用右手从中心起点伸向屏幕上的四个目标之一。在一半试次中，向后顶叶皮层（一个已知参与手臂运动计划和引导的区域）施加了持续900毫秒的红光脉冲。伸手路径的基本形状保持相似，但到达目标的时间和路径长度增加，尤其是在向下和向左的运动上，并且在那只在关键顶叶沟附近表达更强的猴子身上更为明显。与此同时，光敏区域上方的高频脑活动在刺激试次中比在附近非表达区域上升得更多，将光遗传扰动与局部回路改变及可测量的行为延迟联系起来。

这对脑研究与医学的意义

这项工作提供了一个持久、灵活的“窗口”进入猴子大脑，使科学家能够在数月乃至数年内同时控制并观察大规模神经网络。通过避免在手术中对实时MRI的依赖、使用商业可得的组件和基础实验室工具，并公开分享设计与代码，该平台降低了许多团队采用高级光遗传学研究非人灵长类动物的门槛。长期来看，这类工具可能揭示分布式脑回路如何支持运动、感知与损伤后的恢复，并有助于改进针对人类神经系统和精神疾病的刺激性治疗方法。

引用: Griggs, D.J., Stanis, N., Bloch, J. et al. A large-scale optogenetic neurophysiology platform for improving accessibility in non-human primate behavioral experiments. Nat Commun 17, 3128 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69448-3

关键词: 光遗传学, 非人灵长类动物, 皮层电极记录, 神经刺激, 运动行为