细胞内外的活性分子在信号传导和代谢中都发挥着重要作用。同时监测自由运动动物大脑中的细胞内和细胞外化学信号，对于理解细胞内外分子之间的相互作用和建立功能性大脑网络具有重要意义，但目前仍是具有挑战性的前沿课题。

表面增强拉曼光谱 (SERS) 因为具有高光谱分辨率，同时能够避免生物体自发荧光背景干扰，在生物分析检测中具有显著优势。华东师范大学田阳教授研究团队一直致力于自由移动活体脑成像分析新方法、新探针和新装置研究(Acc. Chem. Res. 2018, 51, 688-696；Acc. Chem. Res. 2022, 55, 2821-2832；Sci. China Chem. 2021, 64, 915-931)。率先提出了光生理探针，实现了对小鼠脑细胞外多活性物质的定量分析 (Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 5256-5260；Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 21351-21359)；在国际上首次搭建了适用于活体深部脑区拉曼信号获取的光纤拉曼阵列系统，实现了自由移动小鼠六个脑区细胞器内拉曼信号的同步收集 (Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202111630)。但是，开发一种同时记录细胞内外化学信号的新工具仍然是一项挑战。

针对上述挑战，田阳教授团队创建了适用于自由移动动物细胞内外化学信号同时收集的高密度光纤阵列拉曼平台，一方面设计并合成了细胞内L-半胱氨酸 (Cys) 精准成像和测量的小分子探针，另一方面开发了基于DNA适体的细胞外多巴胺 (DA) 快速检测的探针，成功实现了自由移动活体脑32个脑区细胞内Cys和细胞外DA的同时定量监测，并实时记录了相应的活体电信号。

利用所开发的工具，率先揭示了细胞内Cys通过调控酪氨酸羟化酶 (TH) 的表达，同步调节细胞外DA的释放水平。此外，建立了活体32个脑区的Cys和DA相关的功能网络，发现了抑郁症模型小鼠大脑内的Cys和DA相关的功能网络与正常小鼠相比显著减少，而乙酰半胱氨酸 (NAC) 的治疗可以恢复这种相关性。

该工作首次突破了自由移动动物脑中细胞内外活性分子同时定量和实时测量的瓶颈，为研究整个大脑细胞内外神经化学物质的相互作用开辟新途径，为解析与脑疾病相关功能分子网络的机制提供了新方法，同时也为进一步研究探索潜在的药物和治疗神经疾病提供了有效的工具。