麻省理工学院和波士顿大学的研究人员开发了一种新的荧光探针方法，可以让科学家观察大脑回路中的神经元，并将它们的活动与特定行为联系起来。正如《自然》杂志报道的那样，他们同时对小鼠大脑中许多神经元的活动进行了成像。 麻省理工学院和波士顿大学的研究人员最近使用了一种荧光探针，该探针会在脑细胞处于电活动状态时亮起，从而使他们能够立即对小鼠大脑中多个神经元的活动进行成像。 麻省理工学院脑科学与认知科学神经技术教授、生物工程学教授EdwardBoyden表示，该技术可以通过简单的光学显微镜实现。神经科学家可以可视化大脑中回路的活动并将它们与特定行为联系起来。“如果你想研究一种行为或一种疾病，你需要想象在网络中协同工作的神经元群体的活动，”博伊登说。 研究人员表明，与任何现有的完全基因编码的荧光电压探针相比，使用这种电压感应分子可以记录更多神经元的电活动。 该研究发表于10月9日的《自然》网络版。论文的通讯作者为波士顿大学生物医学工程系副教授Boyden和徐涵。《自然》9日网络版。该论文的主要作者还包括麻省理工学院的博士后KirylPiatkevich，以及波士顿大学的研究生SethBensussen和研究科学家HuaanZeng。 1.让神经元放电“看” 神经元利用快速的电脉冲进行计算，这是我们思想、行为和感知世界的基础。测量这种电活动的传统方法需要将电极插入大脑，既费时又费力，而且通常一次只能记录一个神经元的活动。 多电极阵列可以一次监测多个神经元的电活动，但采样密度不够高，无法将所有神经元保持在给定范围内。钙成像允许这种密集采样，缓慢测量神经系统中的电活动。 2018年，Boyden的团队开发了一种替代方法，通过用荧光探针标记神经元来监测电活动。使用一种称为定向蛋白质进化的技术，他的团队设计了一种名为Archon1的分子，该分子通过基因插入神经元并嵌入细胞膜中。当神经元的电活动增加时，分子变亮，这种荧光可以用标准光学显微镜观察到。 在2018年的一篇论文中，Boyden的团队表明，Archon1分子可用于对透明蠕虫、斑马鱼胚胎和小鼠脑切片的大脑电活动进行成像。在刚刚发表的新研究中，该团队希望在清醒的活老鼠身上尝试这种方法，在它们进行特定行为活动时对神经电信号进行成像。 为了实现这一目标，研究人员不得不修改2018年研究中使用的探针，使其插入神经元膜的一个子区域。研究人员发现，当Archon1分子被插入整个细胞膜时，从神经元延伸出来的轴突和树突也会发出荧光，从而使生成的图像变得模糊。为了克服这个问题，研究人员将一种肽附加到探针上，该探针可以靶向方式定向到神经元细胞体的膜上。修饰的蛋白质称为SomArchon。 “借助SomArchon，我们可以将每个单元视为一个不同的领域，”博伊登说。“每个单元都可以自己清晰地成像，不受附近区域的污染，这样一个单元发出的光就不会遮挡周围的所有区域。”使用这种荧光探针，研究人员能够获得探针记录的类似测量值，从而可以在很短的时间内获得活性。测量结果比现有技术提供更多信息。 “我们想记录毫秒级的电活动，”韩说。“这与钙成像方法的时间精度和活动模式有很大不同。我们真的不完全了解钙变化与电活动动力学的关系。” 使用新的电压传感器，即使神经元没有发射电脉冲，也可以测量神经活动的微小波动。研究人员说，这可以帮助神经科学家研究微小波动如何影响神经元的整体行为，而这在以前很难在活体小鼠的大脑中实现。 哈佛大学化学、化学生物学和物理学教授亚当·科恩说，这项研究“引入了一种新的强大的遗传工具”，用于研究清醒小鼠大脑中的电活动。活动如图。 “以前，研究人员必须用薄玻璃毛细管刺穿神经元来记录电信号，而且他们一次只能记录一两个细胞。这一次，Boyden的团队一次记录了大约10个细胞。涉及的地段的细胞。”这些工具为研究神经活动的统计结构开辟了新的可能性。然而，老鼠的大脑包含大约7500万个神经元，因此我们还有很长的路要走。科恩说。借助实验室和合作者开发的技术，研究人员可以通过基因改造神经元来表达光敏蛋白来打开和关闭神经元。通过这种方式，研究人员可以光激活某些神经元，然后测量这些神经元中光敏蛋白的产生。 这种成像技术还可以与膨胀显微镜相结合，膨胀显微镜是Boyden实验室开发的一种技术，可以在成像之前膨胀脑组织，从而更容易以高分辨率查看神经元。 Boyden说：“我的梦想目标之一是能够对大脑中的所有活动进行成像，然后使用扩展显微镜来发现这些神经元之间的联系。实现这一目标后，我们可以预测神经计算过程是如何从中产生的 他说，这种神经连接图可以帮助我们查明导致脑部疾病的潜在异常，也有助于设计出更接近人脑的人工智能。
