當(dāng)你在閱讀這些文字時(shí)，你大腦的某些區(qū)域正顯示出一連串毫秒級(jí)的快速電活動(dòng)?？梢暬^察和測(cè)量這種電活動(dòng)對(duì)于了解大腦如何使我們看到、移動(dòng)、表現(xiàn)或閱讀這些文字至關(guān)重要。然而，技術(shù)上的限制正在延遲神經(jīng)科學(xué)家們實(shí)現(xiàn)他們的目標(biāo)，即改善對(duì)大腦如何發(fā)揮作用的理解。
在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自美國(guó)貝勒醫(yī)學(xué)院、萊斯大學(xué)、斯坦福大學(xué)、法國(guó)巴黎高等師范學(xué)院生物研究所和德國(guó)圖賓根大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的研究人員報(bào)告了一種新的傳感器，它允許神經(jīng)科學(xué)家們?cè)诓贿z漏信號(hào)的情況下對(duì)大腦活動(dòng)進(jìn)行成像，而且成像比以前更深入大腦、成像時(shí)間比以前要長(zhǎng)。這項(xiàng)研究為在清醒、活躍的動(dòng)物的大腦在健康時(shí)和患有神經(jīng)系統(tǒng)**時(shí)如何運(yùn)作的新發(fā)現(xiàn)鋪平了道路。相關(guān)研究結(jié)果于2022年8月18日在線發(fā)表在Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Sustained deep-tissue voltage recording using a fast indicator evolved for two-photon microscopy”。
神經(jīng)科學(xué)的*高目標(biāo)
論文通訊作者、貝勒醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)助理教授Fran?ois St-Pierre博士說(shuō)，“大腦的電活動(dòng)不僅非常快，而且還涉及多種在大腦計(jì)算中具有不同作用的細(xì)胞類型。如何無(wú)創(chuàng)地觀察動(dòng)物進(jìn)行活動(dòng)時(shí)特定細(xì)胞類型的單個(gè)神經(jīng)元的毫秒級(jí)快速電活動(dòng)，這一直是個(gè)挑戰(zhàn)。能夠做到這一點(diǎn)一直是神經(jīng)成像的*高目標(biāo)?！?
有現(xiàn)有的技術(shù)來(lái)測(cè)量大腦中的電活動(dòng)。St-Pierre說(shuō)，“例如，電極可以記錄非?？斓碾娀顒?dòng)，但它們不能告訴人們它們?cè)诒O(jiān)聽(tīng)什么類型的細(xì)胞。”
這些作者還在使用對(duì)與電活動(dòng)相關(guān)的鈣變化做出反應(yīng)的熒光蛋白。這些熒光變化可以用雙光子顯微鏡來(lái)跟蹤。雙光子顯微鏡是神經(jīng)科學(xué)中無(wú)創(chuàng)深層組織成像的標(biāo)準(zhǔn)方法?！斑@類傳感器非常好地確定哪些神經(jīng)元是活躍的，哪些是不活躍的。然而，它們非常緩慢。它們間接地測(cè)量電壓變化，從而錯(cuò)過(guò)了很多關(guān)鍵信號(hào)。”
St-Pierre和他的同事們的目標(biāo)是結(jié)合這些方法的優(yōu)點(diǎn)---開(kāi)發(fā)一種能夠監(jiān)測(cè)特定細(xì)胞類型活動(dòng)的傳感器，同時(shí)捕捉快速的大腦信號(hào)。St-Pierre說(shuō)，“我們用新一代的工程化熒光蛋白實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，這種工程化熒光蛋白被稱為基因編碼電壓指示劑（genetically-encoded voltage indicator, GEVI）?！?
論文共同**作者---Zhuohe (Harry) Liu、Xiaoyu (Helen) Lu和Yueyang (Eric) Gou---創(chuàng)建并使用了一種自動(dòng)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)為雙光子顯微鏡提供了一種更好、更有效的改造和優(yōu)化熒光電壓指示劑的方法。Liu說(shuō)，“利用這種系統(tǒng)，我們測(cè)試了數(shù)以千計(jì)的指示劑變體，并確定了JEDI-2P，它比之前的指示劑版本更快、更亮、更敏感和更加光穩(wěn)定?！?
Lu說(shuō)，“利用JEDI-2P，我們解決了以前方法的三個(gè)重要缺點(diǎn)。首先，它允許我們跟蹤活動(dòng)物的電活動(dòng)長(zhǎng)達(dá) 40 分鐘，而不是*多幾分鐘。**，我們可以以大約一毫秒的時(shí)間分辨率對(duì)電活動(dòng)的峰進(jìn)行成像，第三，我們可以對(duì)大腦中更深處的單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行成像，因?yàn)槲覀兊闹甘緞┦敲髁恋模?duì)大腦活動(dòng)產(chǎn)生較大的信號(hào)?！?
St-Pierre說(shuō)，在此之前，科學(xué)家們**于觀察大腦的表面，“但是大部分的大腦活動(dòng)顯然不限于大腦表面以下的前50微米”。Gou說(shuō)，“我們的方法使人們**能夠非侵入性地監(jiān)測(cè)大腦皮層深處的電壓信號(hào)?！?
論文共同作者、貝勒醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)教授Andreas Tolias博士和神經(jīng)科學(xué)助理教授Jacob Reimer博士證實(shí)了JEDI-2P可以使用許多神經(jīng)成像實(shí)驗(yàn)室中的成像設(shè)備報(bào)告小鼠體內(nèi)的電活動(dòng)。論文共同作者、巴黎高等師范學(xué)院生物研究所的Stéphane Dieudonné通過(guò)用一種叫做ULoVE的快速顯微鏡方法監(jiān)測(cè)JEDI-2P的熒光，展示了對(duì)小鼠腦電信號(hào)的深度和超高速檢測(cè)。
論文共同作者Katrin Franke博士（德國(guó)圖賓根大學(xué)）和Tom Clandinin博士（斯坦福大學(xué)）的實(shí)驗(yàn)室分別展示了JEDI-2P如何也可以應(yīng)用于視網(wǎng)膜和果蠅中的電活動(dòng)成像?？傊?，這一國(guó)際合作努力表明，這種新技術(shù)可以很容易地用于研究不同動(dòng)物模型和使用多種顯微鏡技術(shù)的神經(jīng)科學(xué)小組所采用。
St-Pierre說(shuō)，“2014年，我在神經(jīng)科學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)議上做了一次關(guān)于這種指示劑的**個(gè)版本的演講，人們都咬牙切齒。他們通常認(rèn)為用熒光指示劑進(jìn)行快速電壓成像在清醒的動(dòng)物身上是永遠(yuǎn)不可能的，因?yàn)閷?duì)毫秒級(jí)的活動(dòng)進(jìn)行成像是巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。八年后，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目標(biāo)。而且這種指示劑仍有改善的空間----它不會(huì)是*后一個(gè)JEDI指示劑！”（生物谷 Bioon.com）
