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在自由活动小鼠的单光子钙成像研究中，神经元追踪面临非刚性脑变形、神经元重叠等问题。研究人员开发了 CaliAli 综合工具，它能有效校正跨会话错位，增强弱钙信号检测，提升神经元追踪性能，对理解神经元活动动态意义重大。
在神经科学研究领域，随着技术的发展，微型显微镜让长期观察自由行为动物的神经元动态成为现实。然而，在跨多会话追踪神经元群体时，却面临诸多挑战。传统的神经元追踪算法在单光子钙（
Ca2+ ）成像中，往往通过对齐不同记录会话中独立获取的神经元足迹来识别神经元，但这种方法存在缺陷。神经元的检测很大程度上依赖其活动水平和背景信号波动，这就导致在一个会话中成功识别的神经元，在后续会话中可能检测不到。而且，非刚性脑变形使得会话间的错位校正变得困难，神经元相似的形状还容易让算法陷入局部最小值，造成不同神经元被误认。此外，视频拼接会引发信号稀释、计算需求增加等问题，这些都严重阻碍了对神经元活动的深入研究。
为了解决这些难题，来自国际综合睡眠医学研究所（WPI-IIIS）等机构的研究人员开展了相关研究。他们开发了一种名为 CaliAli（Calcium Imaging intersession Alignment）的综合工具，旨在实现多会话单光子钙成像实验中神经元信号的纵向提取。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为神经科学研究带来了新的突破。
研究人员在开展此项研究时，主要运用了以下关键技术方法：一是利用基于血管（BV）和神经元的多尺度非刚性对齐方法，通过计算位移场来校正会话间的错位；二是对 Constrained Nonnegative Matrix Factorization（CNMF）-E 管道进行定制，优化神经元信号的提取；三是采用光遗传标记技术，对特定神经元进行识别和追踪。
下面来详细了解该研究的结果：
- CaliAli 对血管结构的利用和对齐策略：CaliAli 重新利用眼部成像中的 BV 分割技术，增强单光子 Ca2+ 成像数据集中的内在 BV 结构。它利用 Hessian 滤波器突出 BV 结构，结合神经元投影，采用多尺度方法计算位移场，实现跨会话视频的对齐。通过模拟实验和实际成像数据对比，发现 CaliAli 的对齐策略在减少真实神经元对的质心距离、提高对齐稳定性方面，均优于其他方法。而且，即使 BV 结构随时间发生变化，CaliAli 通过动态调整焦平面，能在较长时间内维持较高的对齐准确性。对于多会话对齐，CaliAli 采用加权分组对齐策略，根据会话间的结构相似性和位移最小化原则计算公共图谱，提升了神经元追踪性能，即使在部分会话对无法直接对齐的情况下，也能实现准确对齐。
- CaliAli 对神经元信号的提取优化：CaliAli 针对拼接视频的特点，对 CNMF-E 管道进行了改进。通过计算小批量数据的相关图像，提高了神经元的可检测性；并行初始化远距离神经元，减少了初始化计算时间；内部批量处理初始化和矩阵分解，避免了误差传播，在保证提取性能的同时，降低了计算需求。模拟实验表明，CaliAli 在处理高误差传播的数据集时，F1 分数与标准 CNMF 处理相当，且在内存使用上与顺序批量处理的 CNMF 相当，展现出良好的可扩展性。此外，CaliAli 还能有效检测低信噪比（SNR）的 Ca2+ 瞬变信号，通过拼接视频的方式，增强了对这些微弱信号的提取能力，同时不影响高 SNR 信号的提取。
- CaliAli 在神经元追踪性能上的优势：通过双颜色成像实验，以共表达 GCaMP 和 tdTomato 的神经元为研究对象，对比其他算法，CaliAli 在对齐神经元足迹方面表现更优，显著减小了神经元质心距离，提高了跨会话神经元对齐的准确性。在不同场景的模拟实验中，包括低神经元重叠、高神经元重叠和神经元群体活动重映射等情况，CaliAli 的追踪性能均优于其他常用算法，在复杂场景下也能精确聚类神经元活动。在对海马体 CA1 区位置细胞的研究中，CaliAli 虽然在会话内分析的准确性上与独立分析相当，但在跨多会话提取纵向信息方面表现更出色，提高了位置解码的准确性。在短期和长期的神经元追踪实验中，CaliAli 同样展现出优势。短期实验中，以连续 1 小时的 Ca2+ 活动记录为伪 ground truth 数据集，分割成不同时长的会话后，CaliAli 提取的信号与伪 ground truth 数据集的相似度更高；长期实验中，通过光遗传标记齿状回（DG）神经元，发现 CaliAli 追踪的神经元在长达 4 周的时间内，光遗传响应一致性更高，且在 99 天的追踪中，DG 神经元群体活动的稳定性更好，能够捕捉到神经元表征的逐渐漂移。
综合来看，CaliAli 作为一种强大的工具，在神经元追踪方面具有独特优势。它通过整合神经元和 BV 信息的多尺度对齐方法，以及优化的 Ca2+ 提取管道，有效解决了多会话单光子钙成像中的关键问题。CaliAli 能够准确追踪长期神经元活动，增强对低 SNR 信号的检测，保证跨会话追踪的神经元数量一致，为研究大脑动力学提供了有力支持，有助于深入理解大脑在长期过程中的活动机制，如表征漂移、远程记忆处理、神经元发育等，在神经科学研究领域具有重要的应用价值。不过，CaliAli 也存在一定局限性，比如在便携性方面与一些工具相比存在不足，其模块需针对拼接视频处理进行优化，与其他实现方式的集成需要调整。但总体而言，它为神经科学研究开辟了新的道路，推动了该领域的发展。
