在生物科学领域，随着新型生物传感器和显微技术的不断发展，光学记录复杂的分子动态已成为一项不可或缺的技术。然而，如何从这些丰富的数据中提取和量化生物学上有意义的时空模式，依然面临重大挑战。由于这类数据通常具有数据量大、复杂性高的特点，人工检测根本不可行，即使可能，它也经常错过微妙而重要的信息。虽然已经开发了自动图像分析方法，但它们通常限于对特定类型的信号进行建模，简单的时空模式，或者受到精度低，处理时间长和分析功能有限的困扰，无法满足当今对统一数据分析平台的需求。为了解决这一系列问题，研究团队推出了全新的数据分析平台AQuA2（活动定量与分析），旨在为科学家提供快速、准确的多信号种类的多功能分析工具。

为了解决这一系列问题，2025年4月8日，与清华大学生命学院、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院时松海课题组等多家单位合作，清华大学自动化系、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院于国强课题组在 Cell 杂志上在线发表了题为Fast, accurate, and versatile data analysis platform for the quantification of molecular spatiotemporal signals的研究论文，开发了一种面向多信号种类的快速、准确的时空信号分析平台AQuA2，用于量化来自各种实验设置的复杂分子时空信号二维和三维成像数据。AQuA2前身为2019年于国强团队发表于Nature Neuroscience开发的AQuA平台，相比于前代版本用于检测星形胶质细胞钙信号的局限性，AQuA2将其推广至所有的分子时空信号，采用自顶向下的框架，综合利用全视场信息，显著提高了信号检测的准确性，尤其使得假阳性率大大降低，在真实和模拟数据任务中错误率低至7%。该平台利用于国强团队研发的BILCO算法，使得全流程计算速度提高了2倍以上，内存占用率降低90%，相较于AQuA可以处理10倍大的数据。

图1. AQuA2定量生物传感器、细胞类型、器官、动物模型和显微镜之间的信号

图2. AQuA与同类方法性能比较

在既往的时空信号分析算法中，基于事件的方法通常被视为孤立的结果，使得事件之间的时空相关性被忽视；而基于感兴趣区域（ROI）的方法选择了固定的范围，使得空间模式的复杂性被过度简化。AQuA2创新性地提出了共识功能单元（CFU）的概念，如果一个空间区域在在时间范围内产生重复的信号事件，则它更可能是一个具有功能的单元。CFU的概念为信号提供了更大的灵活性，允许每次出现的信号具有不同的大小、形状和传播模式，同时保持一致的空间基础。

在AQuA2的分析流程中，在预处理步骤中，使用分段线性模型对每个像素的基线强度进行估计，并用高斯分布对每个像素的噪声水平进行建模；在活动区域检测步骤中，使用荧光强度的标准化z分数识别高于阈值的显著活动区域；在时间分割步骤中，通过多阈值和多尺度策略选择时间上显著的峰值区域作为种子，通过分水岭算法将包含多个种子的活动区域分割为子区域，再进行合并以处理过分割情况，从而得到时间界线分明而空间界线模糊的“超级事件”；在空间分割步骤中，对空间区域进行基于传播的分割，从而将超级事件分割为独立的事件。

图3. AQuA2算法流程

作为典型的发现，文章中展示了AQuA2如何识别神经元和星形胶质细胞之间的药物依赖性相互作用，以及小鼠脊髓中不同的感觉运动信号传播模式。

咖啡因作为中枢神经系统兴奋剂和腺苷受体阻滞剂/拮抗剂发挥作用，影响神经元和神经胶质细胞的功能，并在一定程度上调节大脑的内部环境。检测结果显示了两种状态下的代表性信号。在药物状态下，其中一种模式反映了正常状态，仅显示神经元信号。这种模式可能反映了由于游泳行为引起的信号激活。相反，在药物状态下的另一种模式显示了星形胶质细胞钙信号，通常伴随着更大的神经元信号。这种独特的大脑活动模式表明，由于咖啡因的加入，整个大脑的动力学发生了变化。

图4. AQuA2识别咖啡因对斑马鱼星形胶质细胞和神经元信号模式的影响

脊髓在传递感觉信息、协调运动和触发反射动作方面具有关键功能。在脊髓内，单个板层包含独特的神经元群体，表现出独特的连接模式，并发挥专门的功能作用。AQuA2分析了小鼠脊髓中感觉诱发和运动诱发的星形胶质细胞钙信号传播差异。研究结果表明，外周感觉刺激和运动动作参与了不同脊髓板的神经回路，这一发现对于星形胶质细胞如何调节脊髓神经回路活动或可塑性具有重要意义。

图5. AQuA2揭示感觉和运动诱发的星形胶质细胞钙信号在小鼠脊髓中的传播差异

AQuA2提供了开源的MATLAB软件包、Fiji插件和Web云服务，能够满足开发和使用的需求。这些版本都配备了用户友好的图形界面，兼容处理二维、三维和双色数据，并且允许用户结合生物学意义自定义参数。AQuA2的端到端特性将极大方便生物学研究者的实验分析过程，同时极大程度上保留了研究人员对算法进行二次开发的可能性。

综上所述，AQuA2是一个功能强大的生物学研究工具，具有多应用场景、高准确度、高运行效率、对用户更加友好的特性。这一研究将使得分子时空信号成像分析更通用、更简便、更高效，进而助力更深入、更可靠的生命过程探索。