科學家發明新傳感器 對神經元無創快速成像

【2022年09月05日訊】(記者林達編譯報導)當你閱讀這些文字時,你大腦的某些區域會顯示出一連串毫秒級的電活動。可視化和測量這種電活動對於理解大腦如何讓我們能夠看到、聽到、或閱讀文字單詞至關重要。然而,目前的技術限制了神經科學家更好地理解大腦是怎樣工作的。

貝勒醫學院及其合作機構的科學家們於8月18日在《細胞》雜誌上報告了一種新的傳感器,可讓神經科學家在不丟失信號的情況下對大腦活動進行成像,並且比以前時間更長、更深入地進入大腦。這項工作為探索清醒、活躍的大腦是如何運作鋪平了道路,其中包括健康和患有神經系統疾病的狀態。

神經科學的重大發現

「不僅大腦的電活動非常快,並且涉及到在大腦計算中發揮不同作用的多種細胞類型」,貝勒大學神經學助理教授弗朗索瓦‧聖皮埃爾(François St-Pierre)博士說。「弄清楚如何無創傷地觀察活動中動物的單個神經元的毫秒級電活動向來是一項挑戰。能夠做到這一點就是神經成像學的聖杯。」

現有技術可以測量大腦中的電活動。 「例如,電極可以記錄非常快的活動,但無法分辨它正在探測的是什麼類型的神經細胞。」 聖皮埃爾說。

研究人員通常還會使用一類特殊的熒光蛋白,它們能對與電活動相關的鈣變化做出反應。可以使用雙光子顯微鏡跟蹤熒光的變化。 「這種傳感器非常適合確定哪些神經元處於活躍狀態,哪些沒有。但是它非常慢。它是在間接測量電壓變化,從而丟失了很多關鍵信號。」

聖皮埃爾及其同事們的目標是結合這些方法中的精華——來開發一種傳感器,用於監測特定類型細胞的活動,同時捕捉快速的大腦信號。 「我們通過稱為基因編碼電壓指示器或 GEVI 的新一代人工改造的熒光蛋白實現了這一目標。」他說。

新方法做出重大改進

新研究的共同第一作者們創建並使用了一個自動化系統,系統提供了一種更好、更有效的方法來設計和優化雙光子顯微鏡的熒光電壓指示器。

「使用這個系統,我們測試了數千種不同的熒光電壓指示器並確定了 JEDI-2P,它比舊版本指示器更快、更明亮、更靈敏、更耐光。」萊斯大學電氣與計算機工程專業的研究生劉說,他在聖皮埃爾實驗室工作。

「通過 JEDI-2P,我們解決了老方法的三個重要缺點。」研究者說, 「首先,它允許我們跟蹤活體動物的電活動長達 40 分鐘,而不是最多幾分鐘。其次,我們能夠以大約 1 毫秒的時間分辨率對電活動的尖峰進行成像。第三,我們可以對大腦深處的單個細胞進行成像,因為我們的指示器很亮,並且會在探測到大腦活動時產生強大信號。」

截止目前,研究人員僅限於觀察大腦表面,「但多數大腦活動顯然並不局限於大腦表面以下的50 微米以內」,聖皮埃爾說,「 我們的方法使研究人員首次能夠無創傷地監測大腦皮層之下的深層電壓信號。」

「2014 年,我在神經科學學會會議上就這種熒光電壓指示器的第一個版本發表了演講,人們都在翻白眼。他們認為,由於巨大的技術挑戰,在清醒的動物身上用熒光指標進行快速電壓成像是不可能的。」聖皮埃爾說。 「八年後,我們實現了這一目標。而且該指標仍有發展空間——它不會是最後一個 JEDI!」◇

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