近日，上海科技大学生命科学与技术学院杨扬课题组在国际期刊Frontiers in Cellular Neuroscience发表题为“Real-Time Image Processing Toolbox for All-Optical Closed-Loop Control of Neuronal Activities”的论文，报道了一种高效的基于统计学的算法软件，可用于钙成像数据的实时分析并实现全光学闭环控制神经元活动。
建立神经活动和行为之间的因果关系是理解大脑功能的核心，而光遗传学大大促进了这一关系。目前，大多数光遗传学实验使用预先确定的刺激方案，没有考虑相关神经元的持续活动。然而，神经元的活动是高度异质的，它与大脑状态和行为密切相关。因此，采用实时活动依赖的刺激协议将更好地揭示神经回路和行为之间的动态互动。这种“系统的输入（即光遗传刺激）取决于输出（即神经活动）”的闭环实验因光学技术的发展而变得简单易行。但如何准确地实时识别活跃的神经元仍然是挑战。
难点在于，到目前为止大多数光遗传学实验仍然是开环的，研究人员使用预先确定的刺激参数，而不是活动指导。直到最近，研究人员在指导光遗传学操作时才考虑到神经元的活动，其形式是大规模的成像数据或预先确定的神经元的实时活动。尽管如此，相关实验软件仍然缺乏一个成像分析流程，从正在进行的成像实验中识别活跃的神经元，这对于有效操纵高度动态和异质的神经元群体至关重要。这样的流程需要在几秒钟内完成原始图像配准、活动识别和提取。
图1 ORCA软件流程介绍
杨扬团队开发了分析软件ORCA（在线实时活动和离线跨会话分析），它以每秒超过100帧的速度执行图像配准、神经元分割和活动提取，速度足以支持神经元的实时检测和读出活动。该主动神经元检测算法是基于纯统计学的，相比以往的多种检测方法-速度更快。该软件也能展示对动态识别的神经元的闭环控制，操作时无需做事先记录或图像处理。ORCA还包括一个跨会话对齐模块，可有效跟踪多个会话中的神经元。
图2 ORCA在基于神经活动的闭环实验中的应用
综上所述，ORCA是一个强大的快速成像数据分析工具软件，为神经元活动的全光学闭环控制提供了解决方案。上海科技大学2018级博士生盛伟豪为论文第一作者，助理教授杨扬为通讯作者。
论文标题：Real-Time Image Processing Toolbox for All-Optical Closed-Loop Control of Neuronal Activities
论文链接：
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fncel.2022.917713/full