荧光脑探针随着它们计算而可视化神经元组

荧光探针可以允许科学家观看大脑内的电路并将其活动与特定行为联系起来。

使用荧光探针点亮时脑细胞是电活跃的，麻省理工学院和波士顿大学研究人员表明他们可以在小鼠的大脑中同时呈现许多神经元的活动。

这种可以使用简单的光学显微镜进行的技术可以允许神经科学家可视化大脑内电路的活动，并将其与特定行为联系起来，是神经技术和生物工程教授的教授的eDa Tan教授说麻省理工学院的大脑和认知科学。

“如果您想研究行为，或疾病，您需要通过在网络中共同努力来映像神经元种群的活动，”Boyden说，他也是MIT的麦格森大脑研究所，媒体实验室，科赫综合癌症研究所。

使用该电压传感分子，研究人员表明，它们可以从任何现有的全遗传编码，荧光电压探针中记录来自许多神经元的电活动。

在顶阶中，神经元用荧光探针标记，透露电活动。在底行中，神经元用探针的变体标记，该探针在神经元细胞体中累积，防止来自邻近神经元的轴突的干扰。图片由研究人员提供

波士顿大学生物医学工程副教授Boyden和薛汉是该研究的高级作者，它出现在2019年10月9日，在线版的自然界。本文的牵头作者是麻省理工学院博士后柯利克利克·皮埃基（Bu Guarduber Seth Benssen），以及Bu Research Scientist Hua-An Teseng。

看到连接

神经元使用快速电脉冲计算，这使我们的思想，行为和对世界的感知来说起来。用于测量该电活动的传统方法需要将电极插入大脑，这是一种劳动密集型的过程，通常允许研究人员一次只从一个神经元记录。多电极阵列允许一次监测许多神经元的电活动，但它们不足够密集地样，以在给定体积内获得所有神经元。钙成像确实允许这种致密的取样，但它测量钙，间接和慢测量神经电活动。

2018年，Boyden的团队通过用荧光探针标记神经元来制定一种监测电活动的替代方法。使用称为指向蛋白酶的技术，他的小组设计了一种称为archon1的分子，其可以遗传地插入神经元中，在那里它嵌入细胞膜中。当神经元的电活动增加时，分子变得更亮，并且可以用标准光学显微镜看这种荧光。

在2018年的论文中，Boyden和他的同事们表明他们可以使用分子在透明蠕虫和斑马鱼胚胎的大脑中的图像电力活动，以及在小鼠脑切片中。在新的研究中，他们想尝试用它生活，唤醒小鼠，因为他们从事特定行为。

为此，研究人员必须修改探头，以便它将进入神经元膜的子区域。他们发现当分子在整个细胞膜中插入本身时，所得到的图像是模糊的，因为从神经元延伸的轴突和树突也荧光。为了克服，研究人员附着一个小肽，其指导探针具体于神经元细胞体的膜。他们叫这种改性蛋白质的Somarchon。

“用Somarchon，你可以将每个细胞看到一个独特的球体，”Boyden说。“而不是拥有一个细胞的灯光模糊所有邻居，每个细胞都可以大声而清晰地说话，不受其邻居。”

研究人员使用该探针在大脑中的图像活动中称为纹状体，这参与计划运动，因为小鼠跑在球上。它们能够同时监测几个神经元的活性，并将每个人的活动与小鼠的运动相关联。一些神经元的活动在跑步时上升，有些人下来，其他人没有显着变化。

“多年来，我的实验室已经尝试了许多不同的电压传感器版本，而且他们都没有在哺乳动物大脑中工作，直到这个，”韩说。

使用该荧光探针，研究人员能够获得类似于电气探针记录的测量值，这可以在非常快速的时间内接收活动。这使得测量比现有技术（例如成像钙）更丰富，神经科学家经常用作电活动的代理。

“我们希望在毫秒时间记录电气活动，”韩说。“我们从钙成像获得的时间尺度和活动模式非常不同。我们真的不知道这些钙的变化如何与电动动力学相关。“

利用新的电压传感器，即使神经元未射击尖峰，也可以测量即使在发生的活动中测量非常小的波动。汉说，这有助于神经科学家研究神经元的影响程度影响了神经元的整体行为。

哈佛大学化学，化学生物学教授Adam Cohen表示，该研究“引入了一种新的和强大的遗传工具”，用于唤醒小鼠的大脑中的影像电压。

“以前，研究人员必须用细玻璃毛细管冒出神经元以进行电气记录，只有一次可以从一个或两个单元格记录。Boyden团队一次记录约10个细胞。这是很多细胞，“科恩说，他没有参与研究。“这些工具开辟了研究神经活动统计结构的新可能性。但小鼠脑含有约7500万神经元，所以我们还有很长的路要走。”

映射电路

研究人员还表明，这种成像技术可以与Optogensetics结合起来 - 由Boyden实验室和合作者开发的技术，使研究人员通过工程来通过工程来表达光敏蛋白质来打开和关闭神经元。在这种情况下，研究人员用光激活某些神经元，然后测量这些神经元中所得到的电活性。

这种成像技术也可以与扩展显微镜相结合，这是一种技术，即Boyden的实验室在成像之前开发扩增脑组织，使得在高分辨率高分辨率下观察神经元之间的解剖结构。

“我的梦想实验之一是将所有活动形象在大脑中，然后使用展开显微镜来找到这些神经元之间的接线，”Boyden说。“然后我们可以预测神经计算如何从布线中出现。”

Boyden说，这些接线图可以允许研究人员确定脑疾病的电路异常，也可以帮助研究人员设计人工智能，更密切地模仿人类大脑。

该研究的麻省理工学院部分由Edward和Kay Poitras资助，国家卫生大学，包括董事的先驱奖，Charles Hieken，John Doer，国家科学基金会，Hhmi-Simons教师计划，人类前沿科学计划和美国陆军研究办公室。