近日，清华-IDG/麦戈文脑科学研究院孔令杰、钟毅课题组、北京人工智能研究院雷博课题组合作在Cell Reports上在线发表了题为“Linking functional activity and connectivity of neuronal circuits via fast cross-layer all-optical physiology”的研究论文 。该研究设计搭建了一种全新的跨层全光生理系统（CLAOP）。CLAOP通过深度融合时空复用成像技术与全息光遗传学操控技术，克服了传统硬件惯性限制的速度瓶颈，实现了毫秒级、单细胞精度的跨层“读写”闭环。以CLAOP作为高通量解析工具，研究者在活体小鼠视觉与体感皮层中揭示了跨层神经元“功能相似即连接”（Like-to-like）的因果组构规律，为解析大脑三维神经网络的功能架构提供了强有力的技术支持。

解析大脑神经环路的功能连接（functional connectivity）是理解脑功能运作机制的关键。为了探究信息如何在三维脑网络中处理和传递，科学家们不仅需要“看到”神经元的活动（记录），更需要精准“控制”神经元的活动（操控），以验证神经元之间的功能连接 。全光生理技术（All-Optical Physiology, AOP）通过结合双光子成像与光遗传学，已成为解析神经环路的理想手段。然而，大脑具有显著的层状拓扑结构，现有的AOP系统在研究垂直维度的跨层（Cross-layer）回路时面临严峻挑战：受限于变焦元件的物理惯性，在不同深度的焦平面间切换往往存在毫秒级的时间延迟，难以捕捉瞬态的跨层同步信号。针对上述难题，本文提出的CLAOP系统，通过基于双光路时空复用的高速跨层“读”与基于全息双光子光遗传学的高空间分辨率“写”，突破了“同步跨层读写”的时空限制。

2025年12月16日，清华大学生命科学学院、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院、生命科学联合中心、膜生物学全国重点实验室米达团队，与清华大学基础医学院、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院、生命科学联合中心郭增才团队合作，在Cell发表了题为Intravital observation of neuronal and immune cell dynamics in the developing mammalian brain的研究论文。该研究开发了一种高稳定性、多视角、长时程的胚胎小鼠宫内活体成像技术（IMEE），首次在体阐明了胚胎小鼠大脑皮层内抑制性神经元与血管网络及小胶质细胞间的动态互作模式。研究还为神经发育性疾病模型小鼠中神经元迁移异常提供了全新在体证据，同时解析了胚胎免疫细胞在响应环境压力时的动态行为模式。这项工作突破了传统胚胎神经成像的技术瓶颈，为解析大脑发育过程中的神经-血管-免疫系统互作机制与协同发育机制开辟了全新的研究范式，凸显了胚胎活体成像技术在神经科学与脑疾病研究中的重要价值。

1.胚胎小鼠活体成像技术IMEE的建立

本研究开发的IMEE活体成像技术，通过辅助支持装置固定胚胎小鼠并结合双光子显微成像，实现了对E10.5至E16.5胚胎小鼠的长时程、大视野、高深度活体观测。IMEE技术成功克服了传统胚胎活体成像在观测稳定性、时长、视角及操作便捷性等方面的限制。研究人员通过监测胚胎脑内血流、检查胚胎形态、评估胚胎脑组织细胞活性、组成及细胞功能等多方面指标，证实了IMEE成像过程中胚胎小鼠发育状态正常。

IMEE活体观察不同发育时期的胚胎小鼠

2. 解析胚胎小鼠大脑内神经元迁移模式与小胶质细胞监督模式

利用不同品系的转基因小鼠内源荧光标记或小鼠胚胎电转技术，研究人员标记了胚胎小鼠大脑皮层内的兴奋性或抑制性神经元，并结合IMEE成像，系统性地鉴定了不同类型神经元的个体与群体迁移模式。结果显示，源于背侧端脑的新生兴奋性神经元通过多极化迁移（Multipolar migration）、位移运动（Locomotion）及胞体转运（Somal translocation）方式在大脑皮层中进行径向迁移；而产生于腹侧端脑的抑制性神经元则分别通过异质或同质方向扩散模式于皮层边缘区（Marginal zone，MZ）或脑室下区（Subventricular zone，SVZ）进行切向迁移。

胚胎小鼠大脑皮层内抑制性神经元的切向迁移

此外，借助IMEE技术，研究人员对Cx3cr1^GFP+/-转基因胚胎小鼠大脑皮层中内源荧光标记的小胶质细胞进行了实时观测，并结合细胞形态变化构建向量场，进行了拓扑分解分析。结果显示，静息状态下的毛细血管相关小胶质细胞（Capillary-associated microglia, CAMs）与脑实质小胶质细胞（Parenchymal microglia, PCMs）在环境监视中表现出不同的动态行为模式，其中后者显示出更活跃的细胞突起伸缩运动。

胚胎小鼠大脑皮层内静息态小胶质细胞的监督行为

3. 揭示胚胎小鼠大脑内神经-血管-免疫动态互作模式

结合活体血管标记技术与IMEE，研究首次实现了对哺乳动物胚胎大脑内神经血管免疫互作的实时观测。根据抑制性神经元在切向迁移过程中其引导突与血管的接触方式，研究人员区分出两类互作模式：末端接触（Terminal contact，TC）与突起接触（Process contact，PC）。结果表明，末端接触会引发神经元引导突分支收缩或新生，从而改变迁移路径以绕过接触对象；而突起接触则允许神经元沿原方向继续迁移，例如沿血管壁“滑动”。

抑制性神经元与血管相互作用的不同模式

此外，通过单细胞及组织转录组测序分析，研究人员解析了Eph-ephrin与Plexin-Semaphorin两类化学排斥性信号通路成员在神经元、血管内皮细胞与小胶质细胞中的表达模式与潜在细胞间通讯模式。进一步体内实验证实EphA4受体在介导中间神经元引导突末端接触血管后的排斥行为中起关键作用。

4. IMEE在神经发育疾病与胚胎免疫激活研究中的应用

将IMEE应用于丙戊酸诱导的自闭症谱系障碍小鼠模型，研究揭示了抑制性神经元的迁移行为缺陷，将细胞动态异常与宏观发育表型直接关联，为理解此类疾病在胚胎期的病理机制提供了关键的在体证据。

抑制性神经元在自闭症谱系发育障碍小鼠模型中的迁移行为缺陷

此外，通过子宫内损伤模型结合IMEE，研究证实胚胎小胶质细胞能迅速响应损伤、聚集至受损区域，并转化为激活状态，执行吞噬与组织修复功能。

胚胎小胶质细胞响应环境压力的免疫激活行为

综上，本研究综合应用新型胚胎小鼠活体成像技术IMEE、活体血管标记与向量场拓扑分析等方法，系统阐明了哺乳动物胚胎大脑内不同类型神经元与免疫细胞的动态行为，首次揭示了迁移神经元与血管网络、小胶质细胞之间的动态互作模式，并展示了病理条件下细胞行为的异常与响应。该工作为深入理解大脑发育过程中细胞对周围环境的适应机制提供了重要实验证据和理论依据，也为研究发育性脑疾病的致病机制提供了全新方法。

清华大学生命科学学院副教授，清华-IDG/麦戈文脑科学研究院、生命科学联合中心、膜生物学全国重点实验室研究员米达与清华大学基础医学院副教授，清华-IDG/麦戈文脑科学研究院、生命科学联合中心研究员郭增才为本文共同通讯作者。清华大学生命科学学院博士生龙真、医学院博士生于永震与生命科学学院博士生贺辰祎为本文共同第一作者。此外，清华大学生命科学学院博士后徐林壑、生命科学学院博士生燕逸铭以及致理书院本科生李卓儒也为本研究做出了重要贡献。感谢清华大学生命科学学院时松海院士、梁鑫教授、吴嘉敏教授对本研究的宝贵建议。本研究获国家科技创新2030“脑科学与类脑研究”重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金会、膜生物学全国重点实验室、清华-北大生命科学联合中心、清华大学“笃实”专项基金等经费支持。