2024年3月15日，《Nature Communications》在线发表了由华中科技大学武汉光电国家研究中心生物医学光子学研究部、华中科技大学生物医学光子学教育部重点实验室李鹏程与陆锦玲教授团队的研究论文，题为《Global spatiotemporal synchronizing structures of spontaneous neural activities in different cell types》（不同细胞类型自发神经活动的全局时空同步结构）。这一研究不仅展示了脑内自发神经活动的复杂时空同步模式，还首次揭示了谷氨酸能与GABA能神经元在发育过程中的不同同步机制，标志着脑功能研究的新进展。
该研究利用了先进的钙荧光成像技术，结合复主成分分析（CPCA），详细探讨了在小鼠大脑不同发育阶段以及不同生理状态（如觉醒、麻醉和运动状态）下，神经元自发活动的时空波动特征。研究发现，谷氨酸能神经元在发育过程中展现出更加丰富的波动模式，而GABA能神经元在功能连接的建立上，则表现出逐渐趋同的同步结构。具体来说，研究表明，在P56阶段，谷氨酸能神经元中的波动模式占比最大，且具有显著的时空同步性，而GABA能神经元中的同步结构在不同的抑制性神经元亚型间表现出显著差异。
图1：大尺度神经活动由驻波和行波组织而成。（a）神经活动的荧光信号可以分解为遍布整个皮层的驻波和行波的线性叠加。（b）典型的驻波与行波的时空模式（一个周期内）。（c）典型的驻波与行波在大脑皮层不同位置的强度与相位分布。（d）钙荧光信号的功率谱密度（像素平均，归一化为单位能量）。（e）钙荧光信号的6个非重叠频带的频谱功率空间图。（f）典型的驻波与行波的波形（30秒）与自相关函数。（g）典型的驻波与行波的功率谱密度，自然频率和阻尼比。（h）占比最高的10个驻波与行波在钙荧光信号中的比例。（i）占比最高的10个驻波与行波的空间分布均匀性，用环形方差表示。
该研究团队不仅揭示了这些时空同步波动与基因表达之间的关联，还通过分析不同细胞类型在发育过程中的功能连接变化，发现了这些同步波动与脑区功能连接密切相关。尤其值得注意的是，谷氨酸能神经元和抑制性神经元的同步波动在发育早期展现了不同的动态变化，表明这些波动对于理解脑功能发展具有重要意义。
图2：大脑皮层基因表达模式与行波相关。（a）皮层中基因表达的空间分布，显示出与波动模式相似的分布模式。颜色表示大脑皮层表面基因表达的强度。（b）基因表达空间分布与四种行波波的空间分布的相似性，并展示了基因共表达树。颜色表示相似度，以相关系数表示。
此外，该研究还首次利用零时滞和时间滞后同步结构的分解，进一步揭示了功能连接的负相关性，指出某些以前被认为是去同步化的现象，实际上可能是由于时间滞后同步导致的。研究中引入的基于主成分分析的方法，能够更好地解析脑内长程功能连接的频率依赖特性，为未来进一步研究脑功能提供了强大的工具。
华中科技大学的李鹏程与陆锦玲教授的团队与合作伙伴，包括武汉光电国家研究中心的多位科研人员，共同完成了这一突破性工作。研究团队通过整合多学科的先进技术，详细探讨了不同类型神经元自发活动的全球时空同步结构，揭示了其背后的机制，为我们理解大脑复杂的功能网络提供了新的视角。研究成果不仅有助于神经科学领域的理论发展，也为临床应用提供了重要的参考，特别是在神经发育疾病和脑部疾病的早期诊断和治疗中具有潜在应用前景。
华中科技大学武汉光电国家研究中心生物医学光子学研究部博士生史良和付小熙为共同第一作者。华中科技大学武汉光电国家研究中心生物医学光子学研究部李鹏程与陆锦玲教授为共同通讯作者。华中科技大学武汉光电国家研究中心生物医学光子学研究部桂绅，以及海南大学生物工程学院副教授卓俊杰，博士生万桐共同参与了相关工作。本研究得到了中国国家自然科学基金（61890951、61890950、62275095、82261138559）、中央高校基本科研业务费专项资金（2019kfyXMBZ009）、海南大学科研启动基金（KYQD(ZR)20072 和 KYQD(ZR)22074）、中国医学科学院医学科学创新基金（2019-I2M-5-014）以及武汉光电国家实验室创新基金的资助。华中科技大学武汉光电国家实验室的光学生物成像核心设施对数据采集提供了支持。
