细胞:新方法可以永久地对大脑皮层深处的单个细胞的快速大脑活动进行成像

来源：100医疗网原创2022-08-23 11:49

在一项新的研究中，研究人员报告了一种新的传感器，这种传感器允许神经科学家在不丢失信号的情况下对大脑活动进行成像，并且成像更深入大脑，比以前需要更长的时间。

当你在阅读这些文字时，你大脑的某些区域会出现一系列毫秒级的快速电活动。可视化和测量这种电活动对于理解大脑如何让我们看到、移动、表达或阅读这些单词至关重要。然而，技术限制正在拖延神经科学家实现他们的目标，即提高他们对大脑如何运作的理解。

在一项新的研究中，来自贝勒医学院、莱斯大学、斯坦福大学、生物研究所、法国巴黎师范学院、德国图宾根大学等的研究人员，报道了一种新的传感器，这种传感器可以让神经科学家在不丢失信号的情况下对大脑活动进行成像，成像更深入大脑，比以前需要更长的时间。这项研究为清醒和活跃的动物在健康和患有神经系统疾病时大脑如何工作的新发现铺平了道路。相关研究成果于2022年8月18日在线发表在《细胞杂志》(Cell Journal)上，标题为“使用为双光子显微术进化的快速指示器进行持续深层组织电压记录”。

神经科学的最高目标

论文作者、贝勒医学院神经科学助理教授弗朗索瓦圣皮埃尔(Fran ois St-Pierre)博士表示，大脑的电活动不仅非常快，还涉及大脑计算中多种不同功能的细胞类型。如何在动物活动过程中无创观察特定细胞类型的单个神经元毫秒级的快速电活动，一直是一个挑战。能够做到这一点一直是神经影像学的最高目标。

现有技术可以测量大脑中的电活动。圣皮埃尔说，例如，电极可以记录非常快速的电活动，但它们不能告诉人们他们正在听的是哪种类型的细胞。

这些作者还使用了荧光蛋白，对与电活动相关的钙变化做出反应。这些荧光的变化可以用双光子显微镜来追踪。双光子显微镜是神经科学中无创性深层组织成像的标准方法。这种传感器可以很好地确定哪些神经元是活跃的，哪些是不活跃的。然而，它们非常慢。它们间接测量电压变化，因此错过了许多关键信号。

St-Pierre和他的同事们的目标是结合这些方法的优势——开发一种可以监测特定细胞类型活动并捕捉快速大脑信号的传感器。St-Pierre表示，我们已经通过新一代工程荧光蛋白实现了这一目标，这种蛋白被称为遗传编码电压指示器(GeVI)。

图片来自cell，2022，doi :10.1016/j . cell . 2022 . 07 . 013

该论文的第一作者刘卓合(Harry)、陆晓宇(Helen)和苟(Eric)创建并使用了一个自动化系统，该系统为双光子显微镜改造和优化荧光电压指示器提供了一种更好、更有效的方法。刘说，通过这个系统，我们测试了数以千计的指示器变体，并确定了JEDI-2P，它比以前的指示器版本更快，更亮，更灵敏，更光稳定。

陆说，有了绝地2P，我们解决了以前方法的三个重要缺点。首先，它可以让我们跟踪活体动物的电活动长达40分钟，而不是最多几分钟。第二，我们可以用大约一毫秒的时间分辨率来成像电活动的峰值。第三，我们可以对大脑深处的单个细胞进行成像，因为我们的指示器很亮，可以产生更大的大脑活动信号。

圣皮埃尔说，在此之前，科学家们只观察了大脑表面，但大多数大脑活动显然不局限于大脑表面以下的前50微米。Gou说，我们的方法首次使人们能够非侵入性地监测大脑皮层深处的电压信号。

论文的共同作者，贝勒医学院神经科学教授Andreas Tolias博士和神经科学助理教授Jacob Reimer博士证实，JEDI-2P可以使用许多神经成像实验室的成像设备来报告小鼠的电活动。论文的合著者，巴黎师范学院生物研究所的St phane Dieudonn，用一种叫做ULoVE的快速显微镜方法，通过监测绝地-2P的荧光，演示了对小鼠脑电信号的深入和超高速检测。

合著者Katrin Franke博士(德国图宾根大学)和Tom Clandinin博士(斯坦福大学)的实验室分别展示了JEDI-2P如何也可以应用于视网膜和果蝇的电活动成像。总之，这项国际合作努力表明，这项新技术可以很容易地被研究不同动物模型和使用各种显微镜技术的神经科学小组所使用。

圣皮埃尔说，2014年，我在神经科学学会的会议上就这个指标的第一个版本发表了演讲，人们都咬了一口。

牙切齿。他们通常认为用荧光指示剂进行快速电压成像在清醒的动物身上是永远不可能的，因为对毫秒级的活动进行成像是巨大的技术挑战。八年后，我们已经实现了这个目标。而且这种指示剂仍有改善的空间----它不会是最后一个JEDI指示剂！ （ 100yiyao.com）

参考资料：

Zhuohe Liu et al. . Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.07.013.

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