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新型成像法可目击神经元工作过程

2019年10月21日7:47 环球解密

    麻省理工学院的一项新研究只需用简单的光学显微镜,即可一次性目击老鼠脑部多个神经元的工作情况,研究它们与特定行为之间的联系。这项成果对研究生物体大脑活动、行为控制,以及神经系统疾病起到重要作用。

    上面一行的图像显示加入荧光后的神经细胞,但同时其附近的轴突和树状枝叉结构也被点亮。在下面一行的图像中,研究者加入了一种肽,起到把荧光分子引导至神经元细胞体的表膜上,使得成像效果更好。

    传统电压感应法

    以前,科学家通常是通过向大脑插入电极、测量电流的方法观察脑部活动。这种方法工作量大,而且一次只能监测一个神经元。之后改善使用多电极阵列,但是又不能对指定区域抽样足够数量的神经元。还有的方法使用钙成像方式,可以实现局部密集抽样,可是由于测量的是钙元素,这是间接且缓慢的监测神经电波活动的方法。

    基因编辑嵌入荧光分子

    MIT的研究组在2018年的一项研究中,发明了荧光探测法:将一种名为Archon1的分子通过基因编辑的方式嵌入神经元的细胞膜。当神经元电流活动增强的时候,这些分子亮度增加,于是这些神经元犹如被“点亮”,研究人员通过简单的光学显微镜就能看到它们。

    2018年的研究观察的是老鼠大脑的切片样本;在今年的新研究中,该研究组直接观测活体老鼠大脑的神经元工作情况。

    加入肽更好地定向荧光分子

    研究者还发现,去年的研究加入的分子散布在整个细胞膜的表面,使得神经元附近的轴突和树状枝叉结构也被点亮,导致成像比较模糊。新研究中,他们加入了一种肽,起到把荧光分子引导至神经元细胞体的表膜上。他们把改进版的蛋白分子称为SomArchon。

    主要研究者MIT的神经学教授博伊登(Edward Boyden)说:“有了SomArchon,你能看到每个细胞就像一个独立的个体,而不是看到一个细胞和周围的结构都模糊在一起的情形。”

    研究人员用这种新方法监测老鼠在玩滚球的时候大脑神经元的活动情况,能够同时监测与此行为相关的多个神经元,看到在老鼠跑动的时候,一些神经元变亮,一些变暗,另一些没有变化。

    另一位研究者说:“在多年的研究中,我的实验室尝试了多种电压感应器的方法,没有一个能像这个方法一样观测到活体的哺乳动物大脑的情况。”

    没有参与这份研究的同行、哈佛大学的生物学、物理学教授科恩(Adam Cohen)说:“以前,研究人员一次只能记录一两个细胞的情况,博伊登的团队可以同时记录10个细胞。这样的技术为神经元活动统计学研究打开了新的大门。但是,老鼠的大脑约有7500万个神经元,因此我们还差得很远。”

    与其它技术的结合

    此外,这项研究还把这一技术和光遗传学(optogenetics)、扩展显微镜分别结合,创造了更多样的观测效果。

    光遗传学是通过编辑基因表达光敏感度的技术,与之结合,研究人员能用光线激活特定神经元,观察其电流变化。

    扩展显微镜技术是在成像之前,将大脑组织扩大,这样在高分辨率下,更容易看到神经元之间的联系。

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