當你在閱讀這些文字時，你大腦的某些區(qū)域正顯示出一連串毫秒級的快速電活動?？梢暬^察和測量這種電活動對于了解大腦如何使我們看到、移動、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)家們實現(xiàn)他們的目標，即改善對大腦如何發(fā)揮作用的理解。
在一項新的研究中，來自美國貝勒醫(yī)學(xué)院、萊斯大學(xué)、斯坦福大學(xué)、法國巴黎高等師范學(xué)院生物研究所和德國圖賓根大學(xué)等研究機構(gòu)的研究人員報告了一種新的傳感器，它允許神經(jīng)科學(xué)家們在不遺漏信號的情況下對大腦活動進行成像，而且成像比以前更深入大腦、成像時間比以前要長。這項研究為在清醒、活躍的動物的大腦在健康時和患有神經(jīng)系統(tǒng)**時如何運作的新發(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
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，“大腦的電活動不僅非?？欤疫€涉及多種在大腦計算中具有不同作用的細胞類型。如何無創(chuàng)地觀察動物進行活動時特定細胞類型的單個神經(jīng)元的毫秒級快速電活動，這一直是個挑戰(zhàn)。能夠做到這一點一直是神經(jīng)成像的*高目標?！?
有現(xiàn)有的技術(shù)來測量大腦中的電活動。St-Pierre說，“例如，電極可以記錄非?？斓碾娀顒樱鼈儾荒芨嬖V人們它們在監(jiān)聽什么類型的細胞。”
這些作者還在使用對與電活動相關(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跟蹤。雙光子顯微鏡是神經(jīng)科學(xué)中無創(chuàng)深層組織成像的標準方法?！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。它們間接地測量電壓變化，從而錯過了很多關(guān)鍵信號?！?
St-Pierre和他的同事們的目標是結(jié)合這些方法的優(yōu)點---開發(fā)一種能夠監(jiān)測特定細胞類型活動的傳感器，同時捕捉快速的大腦信號。St-Pierre說，“我們用新一代的工程化熒光蛋白實現(xiàn)了這一目標，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，“利用這種系統(tǒng)，我們測試了數(shù)以千計的指示劑變體，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，“利用JEDI-2P，我們解決了以前方法的三個重要缺點。首先，它允許我們跟蹤活動物的電活動長達 40 分鐘，而不是*多幾分鐘。**，我們可以以大約一毫秒的時間分辨率對電活動的峰進行成像，第三，我們可以對大腦中更深處的單個細胞進行成像，因為我們的指示劑是明亮的，并對大腦活動產(chǎn)生較大的信號。”
St-Pierre說，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顯然不限于大腦表面以下的前50微米”。Gou說，“我們的方法使人們**能夠非侵入性地監(jiān)測大腦皮層深處的電壓信號?！?
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博士證實了JEDI-2P可以使用許多神經(jīng)成像實驗室中的成像設(shè)備報告小鼠體內(nèi)的電活動。論文共同作者、巴黎高等師范學(xué)院生物研究所的Stéphane Dieudonné通過用一種叫做ULoVE的快速顯微鏡方法監(jiān)測JEDI-2P的熒光，展示了對小鼠腦電信號的深度和超高速檢測。
論文共同作者Katrin Franke博士（德國圖賓根大學(xué)）和Tom Clandinin博士（斯坦福大學(xué)）的實驗室分別展示了JEDI-2P如何也可以應(yīng)用于視網(wǎng)膜和果蠅中的電活動成像?？傊?，這一國際合作努力表明，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，“2014年，我在神經(jīng)科學(xué)學(xué)會會議上做了一次關(guān)于這種指示劑的**個版本的演講，人們都咬牙切齒。他們通常認為用熒光指示劑進行快速電壓成像在清醒的動物身上是永遠不可能的，因為對毫秒級的活動進行成像是巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。八年后，我們已經(jīng)實現(xiàn)了這個目標。而且這種指示劑仍有改善的空間----它不會是*后一個JEDI指示劑！”（生物谷 Bioon.com）
