本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
研究大腦有很多挑戰，但最大的挑戰之一是很難看到它。除了在你的頭骨內部之外，大腦使用的許多電訊號和化學訊號是肉眼無法看到的。
我們有辦法觀察神經元以及它們如何傳遞資訊。例如，要記錄單個神經元的電訊號，你可以用一個微小的電極刺穿它，以便進入膜內（電生理學）。然後你可以刺激神經元放電，或者記錄它自發放電。對於像光遺傳學這樣的技術，你可以在神經元中插入一個基因，使其在光照下放電（或不放電）。當你照射光線時，你可以讓神經元放電。所以你可以讓一個神經元放電，或者看到一個神經元放電。使用像伏安法這樣的技術，我們可以看到神經遞質，即化學物質，當它們從神經元中釋放出來並作為訊號傳送到其他神經元時。這些技術在理解神經元及其工作原理方面取得了巨大進展。
但是...你一次只能對少數神經元這樣做。這就成了一個問題，因為大腦不是一次一個神經元地工作的。相反，神經元組織成網路。一個神經元放電，影響到更多的神經元，所有這些神經元都會以不同的方式反應，這取決於它們接收到的輸入和時間。通常，許多神經元必須放電才能得到結果，通常是單一的特定神經元模式。理想的技術是我們可以即時地看到神經元自發地放電，然後看到這些訊號去哪裡，從而真正看到一個網路在運作。而且我們可以看到它...而不用先取出大腦。
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看起來這種技術可能已經出現了。
曹等人。“完整神經迴路中的基因靶向光學電生理學”《細胞》，2013年。
（圖4B）
當一個神經元“放電”時，它會經歷一種稱為動作電位的過程，這是一種沿著膜傳播的電壓變化波，直到到達突觸。在突觸處，電壓的變化觸發神經傳遞，其中化學訊號從一個神經元釋放出來，然後刺激其他神經元上的受體。
這種稱為 Arclight 的新技術，是基因編碼電壓指示劑 (GEVI) 的最新技術，你將一個基因插入你的生物體，該基因附著在熒光指示劑上。基因本身對細胞的電壓敏感。因此，當動作電位發生，並且神經元的電壓發生變化時，電壓敏感指示劑會啟用附著在其上的熒光蛋白。神經元的電壓發生變化...神經元本身會發光*。
這意味著你可以將這些 GEVI 插入一系列神經元...然後觀察神經元放電。作為概念驗證，曹和他的團隊，耶魯大學的 Nitabach 實驗室，將這些 GEVI 放入果蠅的晝夜節律神經元中。
（圖6A）
在上面你可以看到早上（紅色）和晚上（黑色）熒光的變化，當蒼蠅醒來和入睡時。他們還將 GEVI 放入嗅覺（氣味）系統中，並將蒼蠅暴露在各種化學氣味中。他們能夠觀察到神經元對某些氣味的反應比其他氣味更強烈。
現在，這並不是第一個熒光感測器。關於鈣感測器已經做了很多偉大的工作，它可以透過測量鈣的量來測量細胞活動。鈣感測器可以一次測量數萬個細胞，是一個非常有價值的工具。但鈣是細胞活動的間接指標，並且並非每次神經元電位變化都會出現鈣訊號（例如，你不會從抑制性訊號中獲得鈣）。Arclight 的優勢在於直接測量膜電位。
當然，其他技術，如電生理學，也可以直接測量膜電位，但它們無法在整個細胞中進行。如果你觀看此 Arclight 執行中的影片，你將看到膜電位在整個細胞中發生變化。當然，Arclight 實際上無法確定膜電位，但它的優點是非侵入性的（你確實需要插入一個基因，但你不需要用電極刺穿細胞膜）。
該實驗室希望進一步改進 Arclight，使其更加靈敏（目前信噪比可能很困難）。它還可以與其他技術結合使用，例如光遺傳學。“光遺傳學是指使用光來*操縱*神經元膜電位，而 ArcLight 是一種使用光來*測量*神經元膜電位的方法，”Mike Nitabach 說。“所以它們是同一枚硬幣的兩面，在實驗中一起部署它們的前景將允許對神經迴路進行完全的光學閉環控制。”
最好的部分是什麼？Arclight 技術已經可供其他科學家使用。cDNA 可從 Addgene 獲得，蒼蠅也可獲得！Nitabach 實驗室很樂意分享該技術的知識，並且很樂意幫助任何想要參與該技術的科學家獲得試劑。目前，它在果蠅等已經具有相對透明大腦的生物體中效果最好，但該實驗室已經在研究小鼠神經元。該技術的意義已經非常巨大。從蒼蠅網路到小鼠網路，從小鼠網路，誰知道我們會走到哪裡？
*請注意，在該影片中，由 Nitabach 實驗室提供，熒光的顏色對映已反轉。通常，較高的電壓（和神經元放電）會使該技術的熒光減少。這已被偽彩色化，因此較高的電壓會增加熒光。更容易檢視。
**注意：Ed Yong 也對新技術進行了出色的報道。