最近十年，在神經科學領域被科學家提到頻率最高的詞匯中，“神經環路”絕對榜上有名并且排名很靠前。有關神經環路的研究因為技術的進步而變得可解決(do-able)， 也因此成為當下最熱門, 最具活力的研究領域之一。
最早的神經環路研究，大概源于人們開始思考如何判定大腦怎樣指導行為，產生意識。其中比較著名的大概是維也納醫生Franz Joseph Gall。基于對病人顱骨形狀的觀察他發展出顱像學這門偽科學。雖然現在我們知道這樣的判斷依據是錯的，但是卻誕生了”腦區功能分工”這一思想。后來Broca 區以及Wernicke區受損病人語言功能障礙的癥狀為語言功能環路奠定了重要的基礎，也為大腦功能分區提供了重要的佐證。此后的Broadmann map以及Penfield的一張著名的cortical homunculus圖也是腦功能分區的里程碑。而神經元學說的普及以及突觸的發現更進一步提升了對研究環路分辨率的要求: 具體而言就是神經元甚至亞細胞之間的連接如何，以及這些連接如何與特定行為產生聯系。
Brodmann map。來源于：
https://en.wikipedia.org/wiki/Brodmann_area
cortical homunculus。圖片來源于：
https://www.sciencenewsforstudents.org/blog/scientists-say/scientists-say-cortical-homunculus
目前根據神經元自身的特性研究神經環路主要分為互相聯系的兩種類型: 功能性和結構性神經環路研究。
功能性神經環路如: 研究功能性神經環路筆者首先想到的就是fMRI, PET, 這些技術可以對活體大腦的活動進行實時監測，可以快速獲得全面的信息。不足之處在于受其分辨率的限制只能看到一些腦區的活動, 至于腦區里的哪些細胞在發揮功能則不得而知。在細胞水平監測神經環路則可以采用電生理學的方法，通過記錄在受到刺激前后的細胞的電活動來確定是否存在神經連接，結合藥理學手段甚至可以判斷這種連接是否發生在單突觸水平。這種方法的缺點是每次只能觀察少量的細胞。在細胞水平上進行較大規模的神經活動監測，可以使用對鈣離子敏感的染料，這點要歸功于化學生物學家Roger Tsien。通過對BAPTA和 EGTA進行改造， Roger Tsien 使這些鈣螯合劑變成了鈣指示劑【1】。進一步改進后，他還發明了fura2 以及后續一系列信號更強的指示劑【2】。之后他實驗室利用鈣敏感的FRET開發出對鈣敏感的工具蛋白質使得遺傳水平標記細胞成為可能【3】。基于類似的原理（CaM和M13），2001 年日本科學家開發出新的對鈣敏感蛋白質GCaMP【4】。2005年及以后發表的光學遺傳學技術使得直接體外和體內操控神經元成為可能，對功能性神經環路圖譜的繪制起到關鍵性的推動作用【5-7】，揭開可神經環路研究的新篇章。
在實際應用中，光遺傳學技術需要借助病毒或轉基因技術來實現對特定核團或者細胞類型的操控，因此對于特定的細胞亞型并不是很方便。此外，最近開發的GCaMP6以及其它鈣信號感受熒光蛋白和電壓敏感的探針則可以使空間分辨率達到細胞甚至亞細胞水平, 正在各個領域的研究中被廣泛使用【8, 9】。北大李毓龍老師和加州大學Lin Tian 老師最近開發的基于神經遞質受體構象變化而產生熒光的神經遞質受體探針，則可以監測受到某種特定刺激之后的細胞活動，為功能性神經環路的mapping提供了另一個角度【10-12】（NBT | 北大李毓龍組開發新型乙酰膽堿熒光探針——專家點評；Cell丨李毓龍組開發新型多巴胺熒光探針——仇子龍點評）。并且利用神經遞質來檢測神經活動還有一個好處是可以在了解特定的功能之后直接給藥.
神經環路的另一個重要方面結構性神經環路，主要是描述腦區之間或者神經細胞之間固有的物理聯系。分辨率最高的顯微鏡是電鏡，目前神經細胞之間連結完全搞清楚的線蟲就是通過電鏡描繪的【13】。然而正是由于電鏡分辨率高， 數據的采集，重構都需要花費大量的時間和計算方法，因此通量和效率就是一個問題。這一點從利用電鏡研究神經環路的權威Jeff Lichtman 發表文章的情況可以略知一二, 不過,Jeff 已經功成名就，期待他們有更多的數據庫出來供大家參考。另外一個方法就是利用病毒或各種示蹤染料進行順行和逆行標記，這種方法通量比較高，實驗需要的時間也比較短，因此目前使用較多，最近尤其常見于各種神經科學環路mapping 的工作中。在使用改造病毒進行示蹤比較有效的實驗室包括Salk 研究所的Ed Callaway，Stanford 的駱利群實驗室，Janelia 的Alla Karpova 實驗室, 使用順行標記的如USC的Li Zhang，Columbia 的 Thomas Jessell ， Caltech的David Anderson等。因為實驗的具體需要，目前逆行標記的使用更為廣泛。 這方面的研究已經有很多文獻可以參考【14】，讀者可以自行查閱。病毒注射示蹤的短板在于對注射的一致性要求很高。如果需要標記特定的細胞類型，需要使用轉基因工程鼠或者多次注射。如果對分辨率的要求再低一些，則可以使用DTI觀察核團或腦區之間是否存在神經纖維連接。
2月21日，北京大學饒毅課題組一項發表在Neuron題為Chemoconnectomics: Mapping Chemical Transmission in Drosophila的研究中，研究人員利用另外一種方法對果蠅的神經元進行遺傳標記：即標記神經遞質轉運體或者其合成酶，以及神經調質及其受體。
