本方案详细介绍了在自由活动的小鼠中，利用微型显微镜（miniscope）对下丘脑神经元进行体内钙成像，以研究社交状态操控（社交隔离与社交重聚）过程中下丘脑神经元的活动。该方法能够以单细胞分辨率成像下丘脑神经元活动，揭示社交需求与社交满足的神经表征，从而推动对社交稳态机制的深入研究。
本文内容
摘要
摘要
脊椎动物的社会行为通过下丘脑神经回路受到严密调控。近期研究发现，特定分子标记的下丘脑神经元类型能够以稳态方式编码社会需求。本文中，我们详细描述了一种分步操作方案，用于开展 体内 使用头戴式微型显微镜（miniscope）在自由活动小鼠的下丘脑内侧视前核（MPN）进行钙成像。该方法可在社会隔离与重聚过程中对神经元群体动态进行纵向记录，从而在单细胞分辨率下实现对社会需求与社会满足感的机制研究。具体而言，成年小鼠通过立体定位注射将表达基因编码钙指示剂的腺相关病毒（AAV）注入MPN，随后植入梯度折射率（GRIN）透镜和miniscope基板。术后恢复后，小鼠适应miniscope成像装置，并接受定时的社会隔离与重聚处理，期间进行神经元活动成像。钙信号与动物行为同步，以便后续分析。本方案提供了全面的操作指南 体内 使用微型显微镜在小鼠执行社交行为期间对其下丘脑进行钙成像。该方法可轻松扩展应用于其他深部脑区及不同行为情境下的成像研究。此技术将细胞水平的神经活动与社交行为相联系，推动了对自由活动动物复杂行为神经基础的理解。
引言
维持社会联系的能力对动物的生存至关重要1,2,3。长期的社会隔离会引发焦虑、认知缺陷和代谢变化，而重新团聚则可恢复社会互动和社会需求4,5,6。短期社会隔离后社会行为的反弹现象表明存在一种稳态调节机制7，类似于饥饿8,9或口渴10,11,12的调控机制。然而，介导社会稳态的神经基础仍不清楚。
最近的研究表明，下丘脑中不同的神经元群体分别编码社交需求与社交满足7。在体钙成像显示，内侧视前核（MPN）中一群基因定义的谷氨酸能神经元在个体隔离期间被激活（MPNIsolation 神经元），而另一群GABA能神经元则在重聚时被激活（MPNReunion 神经元）。通过光遗传学激活 MPNIsolation 神经元可模拟社交隔离状态，而光遗传学激活 MPNReunion 神经元则可减弱社交反弹行为，提示这两群神经元在调控社交需求中发挥相反作用。这两类神经元群体之间存在相互反馈，并与全脑范围的神经环路相连接，形成一个动态调节社交需求的反馈回路。
本文介绍了一种详细方案，旨在使研究人员能够在自由活动的小鼠中，以单神经元分辨率记录与行为学相关的社交行为（如社会隔离与重聚）期间深部脑区的钙动力学13。将该成像技术与符合行为学特征的社交范式相结合，为研究不同社交状态的神经表征提供了前所未有的机会。开发这一改进方法的理论基础在于，需要可视化观察社会需求与满足感在如内侧视前核（MPN）等深部脑结构中如何动态表征。尽管微型显微镜的使用已有先前报道14,15,16，但在无限制的社交互动过程中，特别是涉及从隔离到重聚状态转换的情境下，必须进行特定的技术和行为学调整，以维持光学稳定性、减少运动伪影，并确保自然行为的充分表达。
与光纤光度法相比，基于微型显微镜的方法具有细胞级分辨率，能够区分同一脑区内不同功能类型的神经元。该方法允许对自由活动的动物进行长期记录，这对于研究由社交行为驱动的神经动态过程至关重要。以往使用单光子微内窥镜的研究主要集中在空间或感觉任务期间的大脑皮层或背侧海马区域14,15,16。本实验方案将这些技术进展拓展至复杂社交行为期间更深层的皮层下区域，为在接近自然条件下研究情感状态相关神经环路提供了可借鉴的模板。
该 该方案针对深度约5 mm以内的脑区进行了优化，采用GRIN透镜植入和基因编码的钙离子指示剂。关键考虑因素包括手术精度、透镜定位、行为范式设计及相关数据分析。该方法可适配于其他深部脑区及不同的行为情境。本方案详细指导用户完成所有关键步骤：手术准备、病毒递送、透镜植入、行为设计、微型显微镜连接、成像及数据分析图1A-E我们预计，这一易于获取且详尽的实验流程将有助于推动在多种接近自然行为条件下对深部脑神经元群体的研究。
方案
所有实验程序均经西湖大学动物伦理委员会批准，动物实验方案编号为#25-076-LD-9。所有实验均遵循西湖大学实验动物资源中心的指导原则进行。本实验方案中使用的所有仪器和材料均列于材料表中。
1. 病毒注射手术
- 注射卡洛芬（5 mg/kg） 皮下注射镇痛剂，并将小鼠置于含2-3%异氟烷的麻醉诱导舱中。
注意：麻醉成功诱导的标志是脚趾夹捏反射消失且呼吸平稳、深沉。 - 2–3 分钟后，或待动物翻正反射消失时，迅速将其转移至立体定位仪。将动物的鼻部固定于麻醉面罩，并在整个手术过程中以 1–1.5% 异氟烷维持麻醉图1B氧流量通常设定在0.8–1.2 L/min之间。
注意：监测动物的呼吸频率及其他生理体征。若动物呼吸频率增加，并出现胡须颤动及其他苏醒迹象，应将异氟烷浓度提高至2-3%。 - 通过立体定位仪的门齿杆固定小鼠的门齿，拧紧鼻夹以固定头部。
- 将两个耳棒小心插入外耳道，直至其稳固就位，确保头部固定稳定且 rigid（刚性）图1B).
注意：（1）位置不当压迫颈部组织可能导致呼吸困难或固定不稳。（2）若动物在固定过程中出现呼吸费力或挣扎迹象，应立即松开并重新调整耳杆，此为气道受压的警示。（3）确保两侧耳杆处于同一高度，这是后续颅骨精确调平的关键。 - 将眼用软膏涂抹于小鼠双眼，以防止眼睛干涩。
- 使用脱毛膏去除头部毛发。用75%乙醇湿巾彻底擦拭该区域，以清除残留的脱毛膏和毛发。
- 用75%乙醇棉片和碘伏对暴露的皮肤进行消毒。使用精细手术剪在头皮正中矢状位做一切口。将皮肤向两侧推开，充分暴露目标脑区的颅骨。用棉签轻轻擦拭颅骨表面，去除骨膜。
注意：暴露足够大的颅骨面积对于为牙科水泥提供牢固的锚定点至关重要，以确保植入物的长期稳定性。 - 将玻璃移液管安装到立体定位仪的持针器上，用于颅骨表面测量。在体视显微镜下，将移液管尖端定位至前囟（矢状缝与冠状缝的交点），并将其设为原点（X = 0，Y = 0，Z = 0, 图1C).
- 将移液器尖端移至前囟左右 ±2 mm 的位置，并调整颅骨水平，使这两点之间的高度差在 ±0.03 mm 范围内。
- 然后，将移液管移至人字缝（矢状缝与人字缝交点），并调整前后倾斜角度，直至前囟与人字缝之间的高度差在 ±0.03 mm 范围内（图1C).
注意：（1）预先对颅骨进行视觉评估和调整可显著简化精细调平过程。（2）在调平前用压缩空气干燥颅骨表面，有助于提高颅骨缝的可见度。 - 使用手持钻机和0.8 mm钻头在目标脑区上方进行颅骨开窗（例如，对于C57BL6/J小鼠，定位坐标为前后（AP）0 mm，内外（ML）0.3 mm，背腹（DV）-4.8 mm，以靶向MPN区域；对于FVB/NJ小鼠，颅骨开窗位置为AP +0.4 mm至+0.5 mm，ML 0.3 mm，DV -4.8 mm）图1C).
注意：若发生出血，可暂时将异氟烷浓度提高至2-2.5%。使用无菌棉签或止血海绵吸除血液，随后立即应用无菌生理盐水。止血后，将异氟烷浓度调回维持水平（1-1.5%），并清除多余液体。 - 开颅术后，在目标脑区立体定位注射表达钙指示剂的病毒。
- 将AAV-hSyn-jGCaMP7f（一种腺相关病毒，用于在神经元中表达基因编码的钙指示剂，并通过钙信号实现神经元活动的成像）稀释至最终滴度约为5 × 10¹² 毒性基因组/毫升，再进行注射。
- 先用矿物油填充玻璃移液管，然后加入病毒溶液，确保无气泡。将移液管置于颅骨表面的目标坐标位置，并缓慢下降至目标深度。
- 以缓慢且恒定的速度（例如 30 nL/min）单侧注射病毒，总体积为 400 nL7，以确保MPN区域有足够数量的神经元被感染。该用量可根据特定脑区的大小以及是否存在其他限制条件（如Cre-loxP系统）进行调整。
- 操作完成后，将移液器留在原位10-15分钟，以促进病毒充分扩散并减少沿注射轨迹的反流，然后缓慢撤出。
注意：（1）具有适当且稳定滴度的病毒分装样品对于在不同动物间实现成功且一致的表达至关重要。滴度过高可能导致神经毒性，而滴度过低则会导致表达微弱，成像时信噪比差。（2）缓慢的注射速度，以及在撤出移液管前留出足够的等待时间，对于最大限度减少组织损伤、防止病毒回流至关重要，从而确保在目标区域实现精准且强健的病毒表达。 - 病毒注射后，使用可吸收缝线缝合颅骨上方的皮肤。
- 术后立即皮下注射卡洛芬（5 mg/kg）以镇痛，并在术后3天内持续监测，必要时追加给药。
- 病毒注射手术后，将小鼠单独饲养至少2-3周，以确保动物充分恢复及病毒充分表达。
注意：GRIN透镜植入（第2节）可与病毒注射在同一天进行，或在病毒注射后2-3周进行。本方案描述的是两步法，该方法允许实验人员在植入GRIN透镜时评估病毒表达情况。
2. GRIN 透镜植入
- 重复步骤 1.1–1.10 以重新打开颅窗。在步骤 2.8 中，用手术刀划伤颅骨表面，以增强牙科水泥的附着力。对于新的颅窗，其直径应略大于 GRIN 透镜（通常约为 ~1 mm），以便顺利植入。钻孔后需彻底清除所有骨屑。
- 为减轻 GRIN 透镜植入过程中对组织的压迫，将玻璃移液管插入目标脑区，并缓慢进行内外方向移动，以形成切口。该微切口长度约为 1 mm，用于为 GRIN 透镜的植入预留空间（图 2A）。
注意：此步骤对整个实验方案的成功至关重要。 - 在植入 GRIN 透镜前，先用 75% 乙醇对透镜进行消毒，然后用无菌生理盐水冲洗，并用镜头纸轻轻擦拭干净。
- 使用透镜夹持器固定 GRIN 透镜，并将微型显微镜连接至透镜顶部。
- 将整个装置置于前囟位置，并将所有坐标设为零（即 X = 0，Y = 0，Z = 0）。然后将其移至颅窗上方的目标 X-Y 坐标位置。
- 用无菌生理盐水润湿颅骨表面。以约 100 µm/min 的极慢速度将 GRIN 透镜缓慢下压进入脑组织，直至到达目标位置（图 2B）。
注意：（1）若 GRIN 透镜植入在病毒注射后 2–3 周进行，则在插入透镜时开启微型显微镜，以观察荧光信号的实时变化。当透镜接近目标区域时，视野中的整体荧光信号会增强，该变化可通过成像软件中的信号直方图实时读取（图 2C，D）。（2）植入过程中需小心避免出血，因为血凝块会显著降低信号质量。（3）若不可避免地发生严重出血，应撤出 GRIN 透镜，清洁透镜，并在出血停止后重新植入。 - 透镜植入后，通过吸收残留液体并用压缩空气吹干，彻底干燥颅骨表面。
- 小心涂抹牙科水泥，将 GRIN 透镜基座固定于颅骨，并构建覆盖暴露颅骨的完整头帽（图 2B）。注意避免水泥接触周围肌肉组织。随后小心松开透镜夹持器，并将夹持器与微型显微镜一同移除。
注意：（1）将牙科水泥的两种液体在冰上冷却的板上混合，以减缓固化过程，延长操作时间。（2）建议在透镜后方添加一个头杆，以便在连接微型显微镜时固定小鼠。（3）务必谨慎，避免将水泥涂到透镜夹持器或微型显微镜上。 - 通过混合两种液体配制双组分硅胶粘合剂，并将其涂于 GRIN 透镜顶部，形成保护性密封层，防止恢复期间灰尘污染或划伤。
- GRIN 透镜植入后，应将小鼠单独饲养，以避免其在恢复期间被同笼小鼠损坏透镜。术后连续 3 天皮下注射卡洛芬（5 mg/kg）以镇痛。
3. 基板安装
- 在GRIN透镜植入后两到三周，进行基板安装。按照上述方法将小鼠麻醉并固定在立体定位仪中。
- 从GRIN透镜顶部移除硅胶密封，并用镜头纸轻轻清洁透镜表面。
- 将基板连接至微型显微镜。通过支架将整个显微镜-基板组件安装到立体定位操纵臂上。
- 将微型显微镜连接至数据采集盒，并开启实时成像。
- 通过精细调节操纵臂，使微型显微镜物镜与植入的GRIN透镜对齐，实现微型显微镜与GRIN透镜之间的精确光学同轴对准。
- 调整微型显微镜物镜使其与GRIN透镜上表面平行，并确保整个GRIN透镜的边缘均包含在成像窗口内，呈现完美的圆形，且透镜中心位于成像窗口的中心。
- 将微型显微镜降至最佳工作距离，以获取目标焦平面上神经元的清晰图像。
- 使用牙科水泥将基板与已有的水泥帽连接并封装（图2B）。
注意：（1）一个关键步骤是在最终固定前，将微型显微镜抬高一小段经实验确定的距离（约50–100 µm），以补偿水泥固化过程中因收缩可能导致的焦平面偏移。（2）务必格外小心，防止牙科水泥接触到微型显微镜中在基板安装后需要拆卸的任何部件。 - 待牙科水泥完全固化后，松开支架，小心地将显微镜与基板分离，并立即在基板上拧上保护帽，以保护光学接口。
- 基板安装后，将小鼠单独饲养3–5天，之后至少与同笼小鼠共同饲养1周，再进行社会状态干预（例如社会隔离）。
4. 习惯化与成像参数设置
- 在正式成像前，将已植入的实验小鼠进行2-3次短暂头部固定训练，以适应微型显微镜的安装及成像装置环境。
- 将微型显微镜安装至基板时，固定已植入小鼠的头部，取下基板盖帽，通过磁性接口将微型显微镜与基板对接，随后拧紧侧边螺丝以固定显微镜。进行10分钟钙成像，期间动物可在记录用竞技场或笼内自由活动。
- 在此次预实验成像过程中，可引入刺激因素，如轻触刺激或新小鼠接触。分析数据（详见第6节），以确认能否提取单个神经元信号。在适应性训练期间，通过调节微型显微镜在工作距离范围内的焦平面，以观察到最多数量的神经元并获得最清晰的图像，从而确定最佳成像参数。
- 将照明功率设置为最大值的约10%，传感器增益设置为最大值的约10-20%，以获得清晰且无饱和的信号。以1280 x 800的空间分辨率和20 Hz的采样频率进行成像。为每只动物保存这些设置，并在后续成像过程中重复使用。
5. 用于微型显微镜钙成像的社交行为实验
- 社交重聚实验（图3A）
- 在成像前将植入微型显微镜的小鼠 单独隔离1、3或5天。在基线期、重聚期和再隔离期进行钙成像。
- 基线期：将小鼠 连接至微型显微镜，并在隔离状态下记录10分钟。
- 重聚期：将之前同笼的小鼠放入记录装置中，记录10分钟。
- 再隔离期：在10分钟重聚结束后移除同笼小鼠，并在再隔离期间继续成像10分钟。
- 社交隔离实验 （图3B）
- 将植入微型显微镜的小鼠 隔离6小时，每小时开始时记录15分钟的钙信号。
- 在整个成像过程结束时，将之前同笼的小鼠放入记录装置中，记录10分钟，以识别在社交重聚过程中显著被调节的神经元（详见第6和第7节）。
注意：（1）采用此特定成像方案旨在最小化荧光信号漂白，并实现对社交隔离最初6小时内神经元活动的监测。（2）微型显微镜在整个过程中始终保持连接。（3）该方法可在整个成像期间持续追踪同一群神经元。（4）成像期间提供食物和水凝胶。
6. 数据预处理
- 将原始成像视频导入数据处理软件。
- 必要时对原始视频进行空间和时间上的降采样，以降低数据分析的计算负荷。
注意：本分析中，原始成像数据的采集空间分辨率为 1280 × 800，帧率为 20 Hz；将视频空间降采样 4 倍，时间降采样 2 倍。 - 应用空间带通滤波并结合全局均值减除，以减少高频噪声和低频背景漂移。
- 使用数据处理软件中的运动校正算法校正运动伪影。目视检查运动校正后的视频，确保神经元胞体稳定且残余运动伪影最小。
- 点击 "识别细胞" 按钮，并在列表中选择 "CNMFe"，以使用 CNMF-E17（微内窥镜数据约束性非负矩阵分解）算法提取单个神经元的钙活动轨迹。
- 点击数据处理软件中的 标尺 按钮，测量代表性神经元的胞体直径（以像素为单位）。将平均尺寸输入 "平均细胞直径（像素）" 框中，然后点击 应用 按钮运行 CNMF-E。
- 当细胞检测不足、出现过多非细胞成分或发生过度分割时，调整 CNMF-E 的初始化设置。
- 检查所有提取出的成分，并根据细胞形态和符合生物学规律的钙动力学特征决定接受或拒绝。排除形状不规则且尖锐的成分，以及主要由噪声或运动伪影主导的轨迹。
注意：(1) 图 2E 和 2F 展示了两个被接受的神经元，其具有清晰的神经元形态以及典型的钙瞬变；(2) 图 2G 和 2H 展示了两个被拒绝的神经元，其基线波动显著且缺乏典型的钙瞬变。 - 从数据处理软件中导出被接受神经元的荧光轨迹，用于后续识别受社交状态调节的神经元（第 7 节）。
7. 鉴定受社会状态调节的神经元
- 使用 MATLAB 或 Python 对预处理后的数据进行进一步分析。
- 将已筛选神经元的钙活动轨迹与行为时间戳对齐。
- 从行为视频中确定社交重聚的时间点。对每个神经元，将其活动划分为重聚前 300 秒的社交隔离期和重聚后 300 秒的社交重聚期。
- 对每个神经元，量化其在隔离期和重聚期的钙活动分布。
- 进行受试者工作特征（ROC）分析18，以评估神经元活动区分隔离状态与重聚状态的能力，得到 ROC 曲线下面积（AUC）值。
- 使用置换检验评估统计显著性。对每个神经元，将钙活动值在行为状态间以 1 秒时间窗进行循环随机化，重复 1,000 次，生成 AUC 值的零分布。若神经元的观测 AUC 值超过其随机零分布的第 95 百分位数，则认为其活动受到社交状态的显著调制。
- 根据调制方向对显著调制的神经元进行分类：将重聚时活动受抑制的神经元归类为隔离神经元，重聚时活动被激活的神经元归类为重聚神经元（图 4）。
8. 实验后验证
- 灌注小鼠并进行标准组织学处理，以验证GRIN透镜轨迹和病毒表达情况（参见图2I中的组织学成像示例）。
- 使用4% PFA固定带有植入物的小鼠整个头部，然后移除GRIN透镜以清晰观察透镜轨迹。
注意：仅纳入靶向位置正确的动物数据。
9. 问题排查 & 实用技巧
- 使用牙科水泥将头杆固定在微型显微镜后方，以方便微型显微镜的安装和拆卸。
注意：头杆不宜过长，可略微倾斜放置，以避免干扰小鼠的社会行为。 - 手术后至少一周的恢复期间，将植入微型显微镜的小鼠单独饲养。这为小鼠充分恢复提供了足够时间，并防止其他小鼠对植入装置造成损坏。
- 待小鼠完全恢复后，将其与原先同笼的小鼠重新合笼饲养。定期检查并拧紧保护盖帽，准备一些备用盖帽，以便在动物维护过程中丢失时及时更换。
- 在注射GCaMP病毒后3-4周检查钙信号。如果信号过弱或不清晰，延长恢复时间有时可改善信号质量。
- 小心保护GRIN透镜端或微型显微镜端的镜头表面，保持镜头清洁，避免划伤。不使用时应盖上镜头保护盖。
- 成像前，调整信号线长度，使其足够长以便动物能够到达成像区域的各个角落，同时又足够短以确保社会互动顺畅进行。
- 必要时用一层坚固材料保护信号线，防止在社会互动过程中被其他小鼠咬损。定期检查信号线，观察是否因剧烈社会行为而发生缠绕。
- 为了从连续的成像会话中识别相同的神经元集合（例如，图3B），可将原始成像视频拼接起来以提取钙信号轨迹。
- 为同步多个信号（例如行为视频与钙信号），通常使用共同的TTL输入和同步闪光灯来对齐不同的记录文件。
结果
神经元群体的鉴定
我们在C57BL/6J小鼠的MPN中表达了GCaMP病毒并植入了GRIN透镜。手术后，小鼠单独恢复，并在至少一周内与同笼小鼠重新合笼。随后，在钙成像实验前3天，小鼠再次单独饲养。成像期间，首先记录10分钟的隔离基线，然后记录与先前同笼小鼠进行社交重聚的10分钟。社交重聚前后（每个时期各300秒）记录的钙活动用于ROC分析（详见第7节）。
在MPN区域中鉴定出两类具有独特活动模式的神经元群体，分别对应社交隔离和重聚时期。MPNIsolation神经元在社交隔离期间表现出持续性活动，并在重聚时迅速被抑制，而MPNReunion神经元则呈现相反的活动模式（图4）。此处展示了一个典型的MPNIsolation神经元（图4A）和一个典型的MPNReunion神经元（图4B）。热图显示了来自一只成像小鼠的所有被鉴定出的显著调谐神经元（图4C、D）。
图1：概述 体内 使用微型显微镜在下丘脑进行钙成像。 (AGCaMP病毒注射、GRIN透镜植入、基板安装、行为学测试及数据处理的时间线。B立体定位手术示意图。C上图：示颅骨上bregma、lambda及用于病毒注射和GRIN透镜植入的开颅位置示意图。下图：GRIN透镜植入的侧视图。D) 显示将GRIN透镜靶向MPN区域以及将微型显微镜连接到基板的示意图。E社交行为过程中使用微型显微镜进行钙成像及数据处理的示意图。图 B-E 由 BioRender 绘制。Dai, Y. (2026) (https://BioRender.com/i6ca7od)。 请点击此处以查看该图的放大版本。
图 2：手术、数据处理及实验后验证的关键步骤。（A）在植入GRIN透镜前，使用玻璃移液管进行微切割的示意图。（B）示意图与照片，显示GRIN透镜、基板、微型显微镜以及所附着的牙科水泥的相对位置。（C）数据采集软件的截图，显示透镜到达目标位点前视野中的荧光信号（左图）和信号直方图（右图）。（D）同C，但为透镜到达目标位点时的情况。（E, F）数据处理软件的截图，显示两个经人工筛选后保留的假定神经元，其形态规则且具有典型的钙瞬变特征。（G, H）两个在人工筛选过程中被剔除的假定神经元。（I）代表性组织学图像，显示病毒表达（绿色的Syn-GCaMP）及下丘脑中的透镜轨迹。比例尺：200 µm。B图由BioRender绘制。Dai, Y. (2026) (https://BioRender.com/i6ca7od)。 请点击此处查看该图的放大版本。
图3：微型显微镜钙成像的社交范式示例。 （A）社交隔离/重聚实验。在经历1-5天的社交隔离后，于社交重聚期间进行微型显微镜钙成像。 （B）评估社交隔离最初6小时内的神经元活动。连续6小时，每小时进行前15分钟的钙成像。 请点击此处查看该图的放大版本。
图4：社交隔离与重聚期间显著被调控的神经元的鉴定（A）一个典型的MPNIsolation神经元，其在社交隔离与重聚期间的活动分布（左侧）及其ROC曲线（右侧，AUC = 0.07）。（B）一个典型的MPNReunion神经元，其在社交隔离与重聚期间的活动分布（左侧）及其ROC曲线（右侧，AUC = 0.91）。（C, D）从一只示例小鼠中鉴定出的所有MPNIsolation神经元（n = 33，C）和所有MPNReunion神经元（n = 18，D）的活动热图。请点击此处查看该图的放大版本。
讨论
本方案详细介绍了将在体微型显微镜钙成像与社交行为范式相结合的整合方法，用于评估下丘脑神经元的活动特征。该方法可在自然社交互动过程中实现对深部脑区结构的长期、细胞分辨率的钙成像。下文将讨论该方法的关键步骤、方法学意义、局限性以及未来应用潜力。
本方案的成功依赖于一系列精细且相互关联的手术与实验操作。首先，立体定位病毒注射的精确性至关重要。病毒滴度、注射速度以及注射后的停留时间均需优化，以实现高效且靶向的病毒表达，同时尽量减少组织损伤和病毒回流。随后，GRIN透镜的植入是整个操作成功面临的主要技术挑战。使用玻璃移液管预先切割组织、以极慢速度植入透镜以及严格控制出血，是减少组织受压、防止炎症反应并提高信号质量的关键步骤。最后，基板安装与焦平面调整可确保最佳成像范围，从而增加可成像的神经元数量。术中实时成像以及根据经验抬高微型显微镜以补偿水泥收缩，也是关键技巧之一。
在行为检测中，社会隔离与重聚范式的设计能够有效产生社会需求和社会满足的内部状态。在隔离初期6小时内以及经过数天隔离后的社会重聚期间进行钙成像，可揭示不同社会状态下潜在的动态神经元活动。间歇性成像策略（例如，开启成像15分钟，关闭成像45分钟）在长期活动监测与GCaMP光漂白之间实现了有效平衡。在数据分析过程中，关键步骤是对数据进行预处理，以去除运动伪影并提取单个神经元的钙信号轨迹。所有疑似神经元均应根据神经元形态和符合生物学规律的钙动力学特征进行人工核查。结合置换检验的ROC分析提供了一种统计稳健、无需模型假设的方法，可用于区分在社会隔离与重聚过程中表现出相反反应的神经元群体7。
本方案可在自由社交的动物中以单神经元分辨率揭示实时神经动态。它允许对同一神经元群体在多种行为过程中进行长期追踪，这对于理解神经编码的普遍性原理至关重要。通过对特定神经元细胞类型进行稀疏病毒标记，可进一步延长对同一神经元群体的追踪时间。重要的是，所鉴定出的功能特异性神经元（例如 MPNIsolation 和 MPNReunion 神经元）可作为后续光遗传学或化学遗传学操控的直接靶点，从而实现对其功能的因果验证。此外，同时对数十至数百个神经元进行成像，可分析群体协方差模式，并揭示神经元群体内部的混合选择性，这是传统整体记录方法（如光纤光度法）所无法实现的。
尽管该方法具有强大优势，但仍存在局限性。GRIN透镜植入具有侵入性，不可避免地会造成局部组织损伤和炎症反应。透镜的物理尺寸限制了视野范围，可能仅能采集到目标神经元的一部分信号。因此，病毒和GRIN透镜的精确定位变得至关重要。此外，成像质量易受多种因素影响，包括手术过程中的出血、恢复期间炎症的清除以及剧烈行为引起的运动伪影。为确保获得高质量的数据，必须采用精细的手术技术、规律的术后护理、合理的动物行为检测以及完善的数据处理方法。同时，头戴式微型显微镜及其信号线可能影响动物的社会行为并限制其活动范围，在剧烈社会互动（如打斗）期间需要更密切的监控。充分的适应性训练、信号线的保护措施以及选择最佳的线缆长度也十分关键。
所提供的方案具有高度可适应性。一个极具前景的方向是将微型显微成像与光遗传学技术结合，用于同一脑区内相同或不同的神经元群体。这需要策略性地选择病毒，以表达GCaMP和光遗传学视蛋白，同时尽量减少激发光之间的串扰。这种整合可实现行为过程中对特定神经元类型的闭环操控，从而直接检验这些神经元的功能。此外，采用多色钙指示剂和神经调质传感器，还可进一步实现在同一只动物体内同步评估神经元活动与神经调质释放。
综上所述，本方案为应用微型显微镜技术研究社会行为及其他自由运动行为背后的神经机制提供了详细的指导。沿着这一技术路径，光学硬件、遗传工具和计算方法的快速发展不断为神经回路和脑功能的精细解析提供前所未有的机遇。
披露
作者声明不存在竞争性财务利益或利益冲突。本手稿的编辑过程中使用了ChatGPT，但所有作者均进行了仔细且详尽的校对。
致谢
我们感谢Catherine Dulac教授对微型显微镜实验初期培训的支持，以及Yang Sun在手术操作中的帮助。本工作得到了西湖大学启动资金、NOMIS基金会、哈佛大学谭-杨自闭症研究中心、D.L.获得的Jane Coffin Childs医学研究奖以及D.L.获得的Charles A. King信托博士后奖学金的资助。我们感谢刘实验室所有成员对本文稿提出的宝贵意见。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| AAV2/9-hSyn-jGCaMP7f-WPRE-pA | Taitool | S0587-9 | 病毒载体，手术 |
| 可吸收止血明胶海绵 | FUKANGSEN | FKS-A | 手术 |
| 聚维酮碘溶液（10%碘化聚维酮）500 mL | HYNAUT | Q13702855HNW002 | 手术 |
| 行为视频摄像机 | DAHENG | MER2-160-227-U3C | 行为学 |
| 卡洛芬 | MCE | HY-B1227 | 手术 |
| 数字立体定位仪 | RWD | 68803 | 手术 |
| 乙醇（75%） | 国药集团化学试剂有限公司 | 801769610 | 手术 |
| 眼膏 | FODU | H37022025 | 手术 |
| Inscopix 数据处理软件（IDPS） | Inscopix | 1000-006551 | 数据分析 |
| 异氟烷 | RWD | R510-22-10 | 手术 |
| Kwik-Sil 粘合剂套装（2个装） | World Precision Instruments | KWIK-SIL | 手术 |
| 微型钻头 | RWD | 78001 | 手术 |
| MP-1000 微电极拉制仪 | RWD | MP-1000 | 手术 |
| 多功能动物麻醉系统 | RWD | TAIJI-IE | 手术 |
| 纳升微量注射泵 | RWD | R-480 | 手术 |
| nVista 3.0 迷你显微镜 | Inscopix | 1000-004323 | 成像 |
| 眼科镊 | RWD | F12006-10 | 手术 |
| 手术剪 | RWD | S14001-15 | 手术 |
| ProView 植入套件 | Inscopix | 1000-004238 | 手术与成像 |
| 树脂粘固剂（Super-bond） | Sun Medical | Super bond C&B | 手术 |
| 基板盖套装（5个装） | Inscopix | 1050-004639 | 成像 |
| 基板套装（5个装） | Inscopix | 1050-004638 | 成像 |
| GRIN透镜套装（5个装），直径0.6 mm，长度7.3 mm | Inscopix | 1050-004626 | 手术与成像 |
| 立体定位显微镜 | Murzider | MSD205A | 手术 |
| 无菌生理盐水 | QIDUKELIN | R1B25071902 | 手术 |
参考文献
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