神经细胞之间的复杂互作、通讯和多元化连接，是形成神经活动的物质基础。阐明细胞膜上大量离子通道的活性及其时空协同，是理解神经信号传递的关键。目前关于神经信号传递的本质，还有很多基本问题未能完全理解。比如，神经信号传递过程中会不会像电线一样发热？为什么大脑可以如此高效低能耗的运行？170年前，Emil du Bois-Reymond发现神经驱动肌肉收缩时伴随的热信号；之后的几十年，科学家苦苦寻找神经传递中的热信号，始终未有结果；1922年Archibald Vivian Hill获得诺贝尔生理医学奖，认为神经脉冲释放出的绝大多数热量会被重新吸收，而不向外释放热量。1963年，Hodgkin-Huxley 模型的提出获得了诺贝尔生理医学奖，预测神经传导过程一定会有显著的热信号，但是迄今未被测量到。从而，科学家进一步提出了“神经孤子波模型”，认为神经信号传递是包含电、机械和热效应的一种“孤子波”，传输过程具有极低的能量耗散。

（备注：配图由AI生成）

上述疑问难以澄清的根本原因，在于目前神经电生理工具的技术局限性，难以测量和解析神经细胞集群通讯中离子通道的时空动态演化。比如膜片钳技术，虽然具有单离子通道的灵敏度，但是不具有高通量成像能力；而电压敏感成像，虽然具有成像能力，不具备单离子通道观测的灵敏度。同时，膜片钳的接触式测量，在细胞和环境之间搭建了不容忽略的“热桥”，从而干扰了神经信号传递的热力学平衡；而电压敏感荧光成像所伴随的细胞毒性、荧光漂白、信噪比和时间分辨问题等问题始终难以解决。科学家一直再寻求一种非接触、高灵敏、高通量的免标记神经成像工具，兼具单离子通道的灵敏度，以及高通量的成像能力，可以对神经信号传导进行非接触式的长时间测量。

九游APP下载徐静娟/康斌团队向这一百年测量学难题发起挑战，创新性提出了基于电化学调制干涉散射的免标记神经成像方法。摒弃了以离子导通电流来测量离子通道活性的研究思维。从离子通道本身的物理属性出发，提出了免标记光学成像方法测量离子通道局部离子扩散场的全新测量原理，从原理上突破膜片钳通量低的限制。同时，摒弃了必须通过荧光标记来定位离子通道的模式，而利用局域离子场的扩散属性来实现不同离子通道的定位和识别。且不需要任何荧光标记或者电极封接，最大程度降低细胞损伤，实现细胞上大量离子通道的高通量并行成像。研究结果发表于2025年6月份的Nature Photonics杂志（Nature Photonics, 2025, doi: 10.1038/s41566-025-01696-z）；博士生李庆悦为论文第一作者，康斌教授和徐静娟教授为论文通讯作者。

相关文章链接为：https://www.nature.com/articles/s41566-025-01696-z

在此基础上，团队提出了“高通量免标记神经成像仪”的原创仪器设计理念，并申请了国家发明专利（CN117388152A）和国际专利（WO2025/077331）；该仪器设计的关键技术获得第49届日内瓦国际发明展金奖，第50届日内瓦国际发明展银奖等奖项。该仪器设计指标在国际上具有领先优势，其中单离子通道灵敏度和离子通道类型区分指标为目前能实现的唯一方案。在测量原理验证后，研究团队将继续攻关仪器研制。该仪器如能成功，将为我国神经科学和脑科学研究提供原创的高端仪器，也为我国在国际上这一领域的激烈角逐中抢占先机。

本项目得到国家自然科学基金委原创探索计划项目（22250009,）、国际合作项目（22261132510）、重点项目（22034003）以及九游APP下载卓越研究计划（ZYJH004）等项目的支持。陈洪渊院士在科学思想上提供了重要指导，上海交通大学樊春海院士、厦门大学方宁教授在文章写作过程中提供了重要的建议和帮助。