圖3. A. 衍生探針結構示意圖; B. 5種衍生探針相比于ArcLight（Arclight-S249）熒光強度都有所增加（Jin L, et al., neuron, 2012, modified）

2013年，同樣來自耶魯大學的Cao G、Platisa J及Pieribone VA等在果蠅腹外側控制晝夜節律的神經元（lateral ventral circadian clock neurons, LNVs）中特異性表達ArcLight，通過高速（500赫茲）熒光成像可靠地檢測到了果蠅大腦中特定神經元的閾下電活動和動作電位，并且通過膜片鉗記錄下了膜電壓變化。接下來，研究人員在嗅覺感覺神經元（olfactory sensory neurons, OSNs）的不同類型神經元中特異表達ArcLight，研究結果表明，ArcLight能夠在活體大腦的神經回路中精確實現多種特定神經元電活動的光學記錄。

圖4. 黑腹果蠅晝夜節律神經元中ArcLight的表達及晝夜節律神經元電活動的膜片鉗記錄（黑色）和光學記錄（彩色）（Cao G, et al., cell, 2013）

圖5. 氣味誘導不同類型OSNs的膜電活動光學記錄（Cao G, et al., cell, 2013）

為了理解大腦的回路，有必要弄清楚不同神經元群體之間的功能連通性。為此，利用基因編碼鈣離子探針（genetically encoded calcium indicators, GECIs）如GCaMP，進行神經元活動成像因其細胞類型特異性而成為一種強有力的方法。然而，Ca2+的變化是神經元活動的間接度量。一種更直接的方法是使用基因編碼熒光電壓探針（genetically encoded fluorescent voltage indicators，GEVIs）。

ArcLight是電壓敏感探針中的一種，屬于基因編碼熒光電壓探針，它能隨著神經元細胞膜的電壓變化而發出熒光，因此研究人員就能實時通過寬場熒光顯微鏡和CCD相機（charge coupled device camera）觀測到細胞中的電活動。神經元活動與膜電位直接相關，細胞膜的去極化達到閾值，導致神經元形成動作電位，Ca2+內流，細胞內的Ca2+濃度通常會大幅增加，GECIs能很好地檢測到神經元細胞內Ca2+的變化，進而觀測到神經元的活動。然而，由于閾下膜電位的變化通常不會影響細胞內Ca2+水平，ArcLight能告訴我們細胞膜電位的波動，因此，相比于鈣指標，更能直觀反映神經元的活動，更好地解決了閾下突觸活動。

圖6. ArcLight成像實驗裝置（Peter Y. Borden, et al., Neurophotonics, 2017, modified）

神經元回路由大量不同的神經元組成，根據解剖學、內在特性和表達的基因可以將這些神經元分為不同的類型。為了闡明這種神經元多樣性之間的功能連通性，ArcLight的實時熒光成像將是理想的方法，因為可以選擇轉錄啟動子來將ArcLight表達到特定的細胞類型中。這種感應器與傳統的電生理技術不同，能在同一時間分析多種神經元的活動。

技術應用：

1. 電壓成像技術也屬于光遺傳學中的一種，主要用于記錄細胞電位的變化，從而反映細胞的活動，在神經科學領域正在得到重用；

2. 可以運用于描述神經環路，正常和疾病狀態下大腦的電環路；

3. 結合雙光子成像技術，實時反映神經細胞的電活動。

樞密科技ArcLight產品列表：