神经回路研究的分子生物学方法
神经回路(Neural circuit)是指大脑中由神经元相互连接形成的传递一定信息的通道。最简单的神经回路是膝跳反射回路:在膝以下锤打后，从肌梭产生感觉信息，通过感觉神经元进入脊髓；然后运动信息从运动神经元传递到脊髓再到肌肉，控制股四头肌的收缩和二头肌的放松。中枢神经系统的神经回路往往比膝跳反射复杂得多，不仅涉及多个脑区，而且具有复杂的连接结构。
反射再复杂，也是由输入(感官信息)、中间加工和输出(行为)三部分组成的。简单如膝盖急动反射回路，其输入是膝盖附近的敲击，输出是肌肉收缩引起的踢腿行为；苍蝇复杂的求偶行为表现为特定的环境、时间、雌性果蝇的存在等。，而输出的则是一系列追求雌性果蝇的行为，如跟随、唱歌、闻气味等。输入和输出往往容易控制和观察，神经系统就像一个黑匣子。我们只知道它的输入和输出，却对它的工作机制一无所知。
为了弄清神经回路的真相，生物学积累了大量的方法来解决以下问题:一个神经回路的组成部分是什么？每个组件的功能是什么？这些功能是如何实现的？
来分析神经回路的组成部分及其功能，即从大脑的所有1000亿个神经元中区分出与某个特定功能相关的部分。这就需要我们把神经元的一些特性和神经系统的一些功能对应起来。神经元有什么特点？形态学还不足以区分不同的回路(虽然有时候外观特征是有用的，比如中脑黑质的暗多巴胺能神经元)。一般来说，分辨率最高的有两个特征:①基因表达的时空特征，这毕竟是个体中任何细胞之间存在差异的根本原因；②动作电位释放和突触传递的时空特征，是神经系统发挥功能的基础。对于基因表达的特征，我们可以用分子生物学/遗传学来检测；对于动作电位的释放，我们有电生理的方法来检测。
接下来，对于特征，我们如何将它们与神经系统的特定功能联系起来？为了更形象地解释，我们以果蝇的求偶行为为例。一种思路是:①观察果蝇在求偶过程中的大脑，看哪些神经元依次活跃，可以简单地认为这些神经元与求偶有关。这种想法的问题是如何在活体果蝇中以高时空分辨率记录大脑中每个神经元的活动——这显然是不现实的，但我们可以使用各种技术来接近这一目标，这将在后面描述。另一种思路是抑制或增强某些神经元的功能，然后观察果蝇的求偶行为是如何受到影响的——是增强(像发情期的泰迪)还是减弱(对性感的雌性果蝇不屑一顾)。这种方法不需要实时记录，只需要观察行为就很容易；它的问题在于如何抑制或增强神经元特定部分的功能。
先说第二种思维方式。当我们拔掉网卡，电脑就不能上网了，于是我们认为网卡的作用就是连接网络。同样，大脑也可以用同样的方式来研究。20世纪中期，一个叫H.M .的病人被手术切除了海马体，很难形成新的(陈述性)记忆，这对科学界理解记忆相关回路有很大帮助。但手术分辨率有限，只能切除一部分空间相近的脑组织。现代生物学不仅可以利用分子生物学/遗传学方法永久改变神经元的活动(从出生到死亡)，还可以利用化学控制、温度控制和光控制实时操作神经元(从几秒到几小时)。
基因操作是永久性改变神经元活性的主要方法，即降低某些内源性基因的表达，增强某些内源性(或外源性)基因的表达。基因表达的抑制可以通过正向遗传学或反向遗传学进行筛选，如同源重组介导的敲除和RNAi介导的敲除。外源基因可以通过转基因或敲除来增加，而内源基因的过量表达可以增加靶基因上游的增强子/启动子调控元件。
神经元的运作有时需要在特定的时空段进行。双表达系统，如Cre/LoxP和Gal4/UAS，提供了模块化和组织特异性的遗传操作手段，从而提高了操作的空间分辨率。病毒注射、光遗传学、化学遗传学等方法提供了暂时改变特定区域基因表达特征的手段，从而提高了手术的时间分辨率。
先说第一个想法。如何在体内观察神经元的活动？活跃神经元和不活跃神经元有什么区别？活跃神经元动作电位密集，大量离子通道开放，有跨膜离子流。电生理技术记录前者，钙成像技术(GECI)(最常用的GCaMP)记录后者。GEVI记录膜电位的变化，时间分辨率比GECI高，但荧光强度不足。上述成像技术的另一个问题是，活体中较厚的脑组织对显微镜是一个很大的挑战。目前最先进的双光子技术只能穿透500mm左右的组织并保持分辨率。此外，fMRI记录了活跃神经元附近的加速血流，虽然其空间分辨率很低，但作为一种无创方法，在人脑研究中具有重要意义。
通过以上两种思维方式，我们往往会得到这样一个结果:“A区和B区的xxx神经元可能与X行为有关，C区对这种行为也有一定影响……”。但是这些区域是如何联系起来的呢？这个地区的边界在哪里？每个区域有哪些种类的神经元？以上两个实验都很难完全回答这些问题。这时候就需要用解剖学的方法来静态观察大脑。
如何标记特定的细胞，使其与周围的细胞相区别？染色是生物学中常用的方法。当GFP被转移到小鼠体内时，一些特定的细胞类型可以被标记。marcm(mosaic analysis with repressable cell marker)技术可以使同一物种的一簇细胞中大部分细胞的荧光色素失活，只留下一小部分有荧光，从而更清晰地观察单个细胞的形态。光转换/可转换绿色荧光蛋白可以标记具有光诱导特异性的神经元；Campari(钙调制的光可移动比率度量积分器)可以特异性标记活性神经元，这为在体动态记录提供了工具。
除了观察单个细胞的形态，我们还想知道神经元之间的联系。GRASP技术和功能图谱可以测试两个神经元之间是否有联系，而基于化学物质或病毒的跨膜示踪剂可以找出一个神经元的上游或下游神经元。
以上是神经回路研究常用的分子生物学方法。
网络神经科学。？纳特·神经科学？20,?353–364(2017)doi:10.1038/nn . 4502