MIT新技能：一根探针成像多个神经元，让神经元放电“看得见”

MIT 和波士顿大学的研究职员开拓了一种新的荧光探针法，使科学家调查大脑中的电路，并将其勾当与特定举动接洽起来。他们一次成像了小鼠大脑中很多神经元的勾当，论文颁发在 Nature 上。

麻省理工学院和波士顿大学的研究职员最近研究行使一种荧光探针，可以或许在大脑细胞处于电勾当状态时点亮，可以当即对小鼠大脑中多个神经元的勾当举办成像。

麻省理工学院的脑科学和认知科学神经技能传授、兼生物工程学传授 Edward Boyden 暗示，只必要行使简朴的光学显微镜，即可实现这项技能。神经科学家可以将大脑内电路的勾当举办可视化，并将其与特定举动接洽起来。 “假如想研究一种举动或疾病，就必要对神经元群体的勾当举办成像，让这些神经元群收集中协同事变。” Boyden 说。

研究职员表白，行使这种电压感到分子，可以记录到比任何现有的，完全基因编码的荧光电压探针还多的神经元的电勾当。

这项研究颁发在 10 月 9 日的《天然》收集版上，论文通讯作者是波士顿大门生物医学工程系副传授博伊登（Boyden）和薛汉（Xu Han），该研究颁发在 10 月 9 日的《天然》收集版上。论文首要作者还包罗麻省理工学院的博士后 Kiryl Piatkevich，以及波士顿大学研究生 Seth Bensussen 和研究科学家曾华安。

一、让神经元放电“看得见” 

神经元行使快速的电脉冲举办计较，这是我们的头脑，举动和对天下的感知的基本。丈量这种电勾当的传统要领必要将电极插入大脑，费时艰辛，并且一样平常一次只能记录一个神经元的勾当。

多电极阵列可以一次监督多个神经元的电勾当，但其采样密度不敷以使让全部神经元都处于给定的范畴内。钙成像可以举办这种麋集的采样，对神经体系的电勾当的丈量速率迟钝。

在 2018 年，Boyden 的团队开拓了一种更换要领，通过行使荧光探针标志神经元来监测电勾当。他的团队行使一种称为卵白质定向进化的技能，计划了一种名为 Archon1 的分子，该分子通过遗传学本领插着迷经元，并嵌入细胞膜。当神经元的电勾当增进时，分子会变亮，这种荧光可以用尺度光学显微镜视察到。

在 2018 年的论文中，Boyden 团队表白，可以行使 Archon1 分子对透明的蠕虫、斑马鱼胚胎的大脑以及老鼠的脑切片中的电勾当举办成像。而在方才颁发的这项新研究中，团队但愿实行将这种要领用于苏醒的活体小鼠身上，在它们举办特定的举动勾那时，对神经电信号举办成像处理赏罚。

为了实现这个方针，研究职员必需 2018 年研究中行使的探针举办修改，让其插着迷经元膜的一个子地区。研究职员发明，当 Archon1 分子让插入整个细胞膜时，从神经元延长出来的轴突和树突也会发出荧光，使得天生的图像变得恍惚。为了降服这个题目，研究职员在探针上附上了一种肽，可以将探针有针对性地引导至神经元细胞体的膜上。这种修饰卵白名为 SomArchon。

“有了 SomArchon，我们就可以将每个单位视为差异的球体，”Boyden 说。“每个单位都可以独自清楚成像，不受其四面地区的污染，这样一个单位发出的光就不会令周围全部地区变得恍惚了。” 操作这种荧光探针，研究职员可以或许得到与电探针记录的丈量功效相似的丈量功效，从而可以在很是短的时刻内得到活性。与现有技能对比，丈量功效的信息性更强。

“我们想记录毫秒级的电勾当，” Han 说。“这和钙成像要领的时刻精度和勾当模式都有很大差异。我们真的不完全相识钙的变革与电勾当动态的之间副黄?竟是奈何的。”

行使新的电压传感器，纵然在神经元未发射电脉冲时，也可以丈量神经勾当中产生的细小颠簸。说，这可以辅佐神经科学家研究细小的颠簸怎样影响神经元的整体举动，而这早年在活体小鼠大脑中很难实现。

哈佛大学化学、化门生物学和物理学传授亚当·科恩（Adam Cohen）说，这项研究“引入了一种新型而强盛的遗传学器材”，可以对苏醒小鼠的大脑中的电勾当举办成像。

“早年，研究职员必需用细玻璃毛细管对神经元举办穿刺才气举办电信号的记录，并且一次只能记录一到两个细胞。此次 Boyden 团队一次记录了约莫 10 个单位。涉及的细胞许多。”这些器材为研究神经勾当的统计布局提供了新的也许性。可是，老鼠的大脑包括约 7500 万个神经元，因此我们尚有很长的路要走。”科恩说。

二、活体脑神经勾当毗连图，类脑 AI 的坚硬地基 

研究职员还表白，这种成像技能可以与光遗传学团结行使。光遗传学是由 Boyden 的尝试室和相助者配合开拓的技能，研究职员可以通过对神经元举办基因改革来表达光敏卵白，从而开启和封锁神经元。这样，研究职员可以光激活某些神经元，再丈量这些神经元中发生的电勾当。

这种成像技能还可以与扩展显微镜相团结，Boyden 尝试室开拓了一种在对脑组织举办成像之前对其举办扩展的技能，可以更轻松地以高判别率查察神经元之间的剖解学接洽。

Boyden 说：“我求之不得的方针之一就是能对大脑中全部勾当举办成像，然后行使扩展显微镜来发明这些神经元之间的毗连。实现了这一点，我们就可以猜测神经计较进程是怎样从这些毗连中发生的。”

他说，这种神经毗连图可以辅佐我们查明导致脑部疾病的隐藏非常，也有助于计划出更靠近人类大脑的人工智能。

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（编辑：河北网）

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