MIT 和波士頓大學的研究人員開發(fā)了一種新的熒光探針法，使科學家觀察大腦中的電路，并將其活動與特定行為聯(lián)系起來。他們一次成像了小鼠大腦中許多神經(jīng)元的活動，論文發(fā)表在 Nature 上。

　　麻省理工學院和波士頓大學的研究人員最近研究使用一種熒光探針，能夠在大腦細胞處于電活動狀態(tài)時點亮，可以立即對小鼠大腦中多個神經(jīng)元的活動進行成像。

　　麻省理工學院的腦科學和認知科學神經(jīng)技術(shù)教授、兼生物工程學教授 Edward Boyden 表示，只需要使用簡單的光學顯微鏡，即可實現(xiàn)這項技術(shù)。神經(jīng)科學家可以將大腦內(nèi)電路的活動進行可視化，并將其與特定行為聯(lián)系起來。 “如果想研究一種行為或疾病，就需要對神經(jīng)元群體的活動進行成像，讓這些神經(jīng)元群網(wǎng)絡(luò)中協(xié)同工作。” Boyden 說。

　　研究人員表明，使用這種電壓感應分子，可以記錄到比任何現(xiàn)有的，完全基因編碼的熒光電壓探針還多的神經(jīng)元的電活動。 

　　這項研究發(fā)表在 10 月 9 日的《自然》網(wǎng)絡(luò)版上，論文通信作者是波士頓大學生物醫(yī)學工程系副教授博伊登（Boyden）和薛漢（Xu Han），該研究發(fā)表在 10 月 9 日的《自然》網(wǎng)絡(luò)版上。論文主要作者還包括麻省理工學院的博士后 Kiryl Piatkevich，以及波士頓大學研究生 Seth Bensussen 和研究科學家曾華安。 

　　一、讓神經(jīng)元放電“看得見” 

　　神經(jīng)元使用快速的電脈沖進行計算，這是我們的思想，行為和對世界的感知的基礎(chǔ)。測量這種電活動的傳統(tǒng)方法需要將電極插入大腦，費時費力，而且一般一次只能記錄一個神經(jīng)元的活動。

　　多電極陣列可以一次監(jiān)視多個神經(jīng)元的電活動，但其采樣密度不足以使讓所有神經(jīng)元都處于給定的范圍內(nèi)。鈣成像可以進行這種密集的采樣，對神經(jīng)系統(tǒng)的電活動的測量速度緩慢。 

　　在 2018 年，Boyden 的團隊開發(fā)了一種替代方法，通過使用熒光探針標記神經(jīng)元來監(jiān)測電活動。他的團隊使用一種稱為蛋白質(zhì)定向進化的技術(shù)，設(shè)計了一種名為 Archon1 的分子，該分子通過遺傳學手段插入神經(jīng)元，并嵌入細胞膜。當神經(jīng)元的電活動增加時，分子會變亮，這種熒光可以用標準光學顯微鏡觀測到。 

　　在 2018 年的論文中，Boyden 團隊表明，可以使用 Archon1 分子對透明的蠕蟲、斑馬魚胚胎的大腦以及老鼠的腦切片中的電活動進行成像。而在剛剛發(fā)表的這項新研究中，團隊希望嘗試將這種方法用于清醒的活體小鼠身上，在它們進行特定的行為活動時，對神經(jīng)電信號進行成像處理。 

　　為了實現(xiàn)這個目標，研究人員必須 2018 年研究中使用的探針進行修改，讓其插入神經(jīng)元膜的一個子區(qū)域。研究人員發(fā)現(xiàn)，當 Archon1 分子讓插入整個細胞膜時，從神經(jīng)元延伸出來的軸突和樹突也會發(fā)出熒光，使得生成的圖像變得模糊。為了克服這個問題，研究人員在探針上附上了一種肽，可以將探針有針對性地引導至神經(jīng)元細胞體的膜上。這種修飾蛋白名為 SomArchon。 

　　“有了 SomArchon，我們就可以將每個單元視為不同的球體，”Boyden 說。“每個單元都可以獨自清晰成像，不受其附近區(qū)域的污染，這樣一個單元發(fā)出的光就不會令周圍所有區(qū)域變得模糊了。” 利用這種熒光探針，研究人員能夠獲得與電探針記錄的測量結(jié)果相似的測量結(jié)果，從而可以在非常短的時間內(nèi)獲得活性。與現(xiàn)有技術(shù)相比，測量結(jié)果的信息性更強。

　　“我們想記錄毫秒級的電活動，” Han 說。“這和鈣成像方法的時間精度和活動模式都有很大不同。我們真的不完全了解鈣的變化與電活動動態(tài)的之間關(guān)系究竟是怎樣的。” 

　　使用新的電壓傳感器，即使在神經(jīng)元未發(fā)射電脈沖時，也可以測量神經(jīng)活動中發(fā)生的微小波動。說，這可以幫助神經(jīng)科學家研究微小的波動如何影響神經(jīng)元的整體行為，而這以前在活體小鼠大腦中很難實現(xiàn)。 

　　哈佛大學化學、化學生物學和物理學教授亞當·科恩（Adam Cohen）說，這項研究“引入了一種新型而強大的遺傳學工具”，可以對清醒小鼠的大腦中的電活動進行成像。

　　“以前，研究人員必須用細玻璃毛細管對神經(jīng)元進行穿刺才能進行電信號的記錄，而且一次只能記錄一到兩個細胞。此次 Boyden 團隊一次記錄了大約 10 個單元。涉及的細胞很多。”這些工具為研究神經(jīng)活動的統(tǒng)計結(jié)構(gòu)提供了新的可能性。但是，老鼠的大腦包含約 7500 萬個神經(jīng)元，因此我們還有很長的路要走。”科恩說。 

　　二、活體腦神經(jīng)活動連接圖，類腦 AI 的堅實地基 

　　研究人員還表明，這種成像技術(shù)可以與光遺傳學結(jié)合使用。光遺傳學是由 Boyden 的實驗室和合作者共同開發(fā)的技術(shù)，研究人員可以通過對神經(jīng)元進行基因改造來表達光敏蛋白，從而開啟和關(guān)閉神經(jīng)元。這樣，研究人員可以光激活某些神經(jīng)元，再測量這些神經(jīng)元中產(chǎn)生的電活動。 

　　這種成像技術(shù)還可以與擴展顯微鏡相結(jié)合，Boyden 實驗室開發(fā)了一種在對腦組織進行成像之前對其進行擴展的技術(shù)，可以更輕松地以高分辨率查看神經(jīng)元之間的解剖學聯(lián)系。 

　　Boyden 說：“我夢寐以求的目標之一就是能對大腦中所有活動進行成像，然后使用擴展顯微鏡來發(fā)現(xiàn)這些神經(jīng)元之間的連接。實現(xiàn)了這一點，我們就可以預測神經(jīng)計算過程是如何從這些連接中產(chǎn)生的。” 

　　他說，這種神經(jīng)連接圖可以幫助我們查明導致腦部疾病的潛在異常，也有助于設(shè)計出更接近人類大腦的人工智能。