摘要：在生命科学领域，特别是在神经科学、细胞生物学、病理学及发育生物学等子领域，随着多项生物技术如基因编码荧光探针、显微技术和动物遗传学改造技术的革命，科学家们拥有了史无前例的实时、高精度、高保真测量跨时空分子活动的科研手段，为进一步揭示生命奥秘、造福人类奠定了坚实
在生命科学领域，特别是在神经科学、细胞生物学、病理学及发育生物学等子领域，随着多项生物技术如基因编码荧光探针、显微技术和动物遗传学改造技术的革命，科学家们拥有了史无前例的实时、高精度、高保真测量跨时空分子活动的科研手段，为进一步揭示生命奥秘、造福人类奠定了坚实的基础。然而，这一尖端强有力的测量手段产生了海量并复杂的时空数据，如何提取并刻划其中的复杂时空模式（如异质性空间分布和多向传播），正成为制约科研突破的新瓶颈。传统人工分析效率低下，现有分析技术与方法或因假设过于严苛而导致失真，或因计算效率不足难以应对空间时间高维大数据，亟需新的理论与手段。
2025年4月8日，清华大学于国强教授课题组在Cell杂志上发表了题为Fast, accurate, and versatile data analysis platform for the quantification of molecular spatiotemporal signals的研究论文，并发布了基于上述理论的开源工具AQuA2。该成果的关键突破是提出了时空统一的理论框架，攻克了事件分解这一核心技术，使得生命分子信号如钙信号和多巴胺信号在时间和空间两个不同的层面上得到统一的分析，无论是分子信号的空间变化还是时间上的动态过程，都可以得到准确灵活的检测与量化。该成果的突破也依赖于近年来人工智能与机器学习技术的进展。
为了应对低信噪比环境和更庞大的数据规模，AQuA2 采用了包含概率统计理论与先进机器学习算法在内的策略。譬如，序统计理论被用来刻画阈值操作带了的统计偏差，从而提高低信噪比数据的鲁棒性。研究团队开发了bidirectional pushing with linear component operations (BILCO) 等先进方法，使得AQuA2能够在不牺牲精度的情况下显著提高检测效率，速度提高2倍，计算机内存使用效率提高10倍。AQuA2引入了共识功能单元（consensus functional unit，CFU）的概念来集成基于感兴趣区域和基于事件的方法。如果一个空间区域产生重复的信号事件，它更有可能是一个功能单元，这种区域称为CFU。CFU的提出，很好地结合了区域和事件定义，比感兴趣区域提供了更大的灵活性，允许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。这一改动通过利用基于感兴趣区域和基于事件的方法的优势，促进更深层次的生物学见解。此外，引入CFU使得AQuA2能够分析不同生物传感器记录的信号之间的相互作用。
AQuA2利用先进的算法实现了跨物种、跨器官以及多种生物分子探针的成像数据分析处理。研究团队在文中展示了该平台对钙离子、去甲肾上腺素（NE）、ATP、乙酰胆碱（Ach）及多巴胺等多种荧光传感器信号的检测能力，并覆盖包括神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞与微胶质细胞在内的不同细胞类型。无论是小鼠还是斑马鱼的大脑和脊髓，AQuA2都能从时间序列影像中准确提取并量化那些往往被噪声或复杂结构所掩盖的微妙动态特征。
图 1 AQuA2流程图
在易用性方面，研究团队为 AQuA2 设计了直观的操作界面，不仅支持二维与三维数据，也适用于多种双通道或多通道成像。研究团队为这一算法框架配备了友好的图形操作界面，可在MATLAB、Fiji（ImageJ插件）以及云端服务等多平台使用，方便研究者根据需求选择离线或远程资源进行分析。
现有ROI分析软件（如suite2p、CaImAn）和事件检测工具（如AQuA、Begonia）虽然在各自擅长的范围内表现良好，但面对越来越多元的分子探针、宽广的空间尺度和繁复的活体信号特征时往往力不从心。AQuA2的出现，意味着研究者在应对复杂空间动态信号、低信噪比场景以及多通道融合分析时，有了一个更通用、更高效的解决方案。论文所提及的真实数据与模拟实验结果也显示，在准确率、检测灵活度和易用性等方面，AQuA2均有大幅度提升。
借助AQuA2平台，研究团队成功量化了钙离子、去甲肾上腺素、ATP、乙酰胆碱以及多巴胺等多种分子信号，涵盖了星形胶质细胞、少突胶质细胞、微胶质细胞及神经元在内的不同细胞类型，也涉及脑和脊髓等多器官乃至多物种模型（如小鼠和斑马鱼）。研究团队利用AQuA2进行了多项实验，验证了其在复杂生物系统中的应用价值。作为典型的发现，研究团队展示了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。
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。
研究团队相信，随着更多科研人员尝试使用并给出反馈，AQuA2的功能还会不断完善和迭代。一方面，它既能精准地适配传统的神经元或胶质细胞钙信号成像，也可以拓展到未来新型的神经递质、代谢标记乃至跨器官动态追踪；另一方面，一致功能单元和多通道交互分析等概念的引入，为人们在观测细胞或分子活动时提供了更多思路和更直观的呈现方式。研究团队指出，随着该技术逐渐成熟，将为理解大脑高级功能、免疫细胞动态行为以及病理过程等课题提供强有力的数据支撑，最终有望转化到疾病诊断和药物研发等实际应用中。
透过AQuA2对分子信号的事件级别刻画与时空关系挖掘，不仅可以更加精确地研究脑活动、胶质细胞与神经元间的交互、病变组织的代谢特征等等，还可在免疫学与药物学等领域为潜在机制提供新的研究工具。研究团队表示，希望未来能与更多同行开展多学科合作，在技术和应用层面持续打磨这一分析平台，为神经科学、病理学、免疫学、发育生物学以及更广泛的生命科学难题带去新的契机与思路。
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来源：老李的科学课堂
