爆发-抑制节律（burst-suppression）是深麻醉、昏迷、低温及部分病理性无意识状态中常见的脑活动模式，表现为高幅电活动爆发与低活动抑制阶段交替出现。长期以来，这一现象主要依赖宏观脑电信号观测，常被理解为全皮层在“整体开启”和“整体沉默”之间切换。

然而，脑电信号中的“平坦”是否意味着神经元完全停止活动？爆发是否代表整个皮层同时激活？回答这些问题，需要把宏观电信号与万级单神经元活动放到同一张“时间-空间地图”上。

针对这一跨尺度观测难题，清华大学生医工程学院戴小川副教授团队联合自动化系戴琼海院士、吴嘉敏副教授团队构建了皮层尺度光电融合观测系统CODE（Cortex-wideOptical-electrical Dual-modal Explorer）。研究成果以“全皮层光-电双模态神经接口揭示爆发-抑制节律由动态神经元集群编码”（Dynamic neuronal ensembles encode burst-suppression revealed by cortex-wide optical-electrical interfaces）为题，于4月29日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

CODE系统基于戴琼海院士团队此前研发的RUSH超大视场高分辨成像平台，集成透明多通道ECoG电极阵列，将传统颅窗转化为透明“光电窗口”，可同步记录约1.8万个神经元钙活动和多区域ECoG信号，为解析爆发-抑制节律提供跨尺度观测基础。

图1.全皮层光电融合观测系统CODE

CODE系统结合透明ECoG阵列与超大视场单细胞钙成像平台，可同步获取大规模神经元活动和多区域电生理信号。

基于CODE系统，研究团队在异氟烷麻醉小鼠中同步记录全皮层ECoG信号和万级神经元钙活动。随着麻醉加深，ECoG信号中出现典型爆发-抑制节律，神经元钙活动也呈现明显状态依赖变化。进一步分析发现，皮层中存在两类神经元群体：一类在爆发期更活跃，另一类在抑制期更活跃。这表明，ECoG信号中的“抑制”并不等同于神经元完全沉默，而是仍存在更分散、更异步的神经元活动。

图2.爆发-抑制状态下两类神经元群体交替激活

研究识别出爆发相关神经元和抑制相关神经元两类活动群体。二者随爆发-抑制节律交替出现，说明该脑状态具有明确的神经群体组织结构。

研究团队进一步追踪两类神经元群体在麻醉过程中的动态变化。结果显示，爆发相关神经元和抑制相关神经元并非固定不变。随着麻醉进程推进，爆发持续时间缩短，参与神经元数量减少；抑制期逐渐延长，相关神经元数量也呈下降趋势。每次事件中既有新参与神经元，也有此前曾参与过的神经元，说明爆发-抑制节律是持续变化的神经群体重组过程。

在时间结构和网络组织上，爆发相关神经元通常在爆发早期快速同步激活，并形成更强功能连接；抑制相关神经元则较晚、较分散地被招募，连接强度较弱，从而塑造了宏观ECoG中爆发与抑制的波形差异。

图3.爆发-抑制状态下神经元群体的动态招募与功能连接

研究还发现，抑制向爆发的转换并非瞬时全局同步发生，而是具有明确的皮层时空结构。多通道ECoG分析显示，爆发活动通常首先出现在双侧外侧感觉皮层，随后向内侧及前方运动相关区域传播。单细胞钙活动与这一过程高度对应：外侧感觉皮层神经元活动更分散，而内侧运动相关区域活动峰更尖锐，并与爆发起始时间更紧密对齐。光电跨模态互相关分析进一步显示，ECoG与钙活动的同步性在传播过程中逐步增强，呈现“边传播边同步”的特征。

图4.抑制向爆发转换过程中，皮层活动的有序传播

研究表明，爆发-抑制并不是均一、被动的全皮层静默过程，而是由神经群体动态招募、功能连接变化和跨区域时空组织共同塑造的复杂脑状态。CODE系统将大规模单神经元钙成像与多区域ECoG记录置于同一时间轴，为解析麻醉、睡眠、昏迷、癫痫等脑状态转换提供了跨尺度观测工具。

清华大学信息国家研究中心副研究员肖桂花、生医工程学院2020级博士生杨默、自动化系博士后李灵博为论文共同第一作者。清华大学生医工程学院副教授戴小川，自动化系戴琼海院士、副教授吴嘉敏，肖桂花为论文共同通讯作者。论文合作者还包括清华大学生医工程学院洪波课题组、北京大学材料科学与工程学院雷霆课题组。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-72454-0