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【论文故事】给神经活动拍个“钙片”

时间:2015-02-28 13:04来源:网络 作者:未知 点击: 99次

如果说现代科学一定要给“灵魂”安排一个位置的话,那么它毋庸置疑应当存在于神经系统之中——我们的每一个动作,每一份情感,都是神经活动的结果。然而,即便是在科技发达的今天,面对阡陌纵横的神经网络,我们依然难以便捷地观测目标神经活动,这给现代神经科学的发展造成了不小困扰。所幸,最近发表在《科学》(Science)杂志上的一项新技术,也许能为解决这个难题打开一扇新的大门。为此,果壳网科学人专门采访了论文的第一作者之一、霍华德·休斯医学研究所(HHMI)的孙一博士。

钙成像:让神经闪耀起来

很久之前就有研究表明,神经元的活动与其内部的钙离子浓度密切相关,神经元在放电的时候会爆发一个短暂的钙离子浓度高峰。借助于钙离子浓度与神经活动之间的严格对应关系,科学家发明了一种叫做“钙成像”(Calcium Imaging)的神经观测技术。这种技术通常借助于特殊的荧光染料,将神经元当中的钙离子浓度通过荧光强度表现出来。

图片显示的是一群被加入钙成像荧光染料的神经元,其荧光亮度会随着钙离子浓度改变而改变,不同神经元的活动导致了图中的“闪烁”现象。图片来源:yokogawa.com

“诸多研究表明,在大多数神经细胞中,钙离子浓度信号和神经电信号有很好的对应关系,这进而导致检测钙离子浓度的钙成像技术在神经科学上的广泛应用。”孙一对科学人说。有了钙成像技术,原本悄无声息的神经活动就变成了一幅斑斓闪烁的壮观影像,科学家终于可以亲眼看着神经信号在神经网络之中往来穿梭。因此,这种技术甫一问世,就受到了全世界神经科学家们的追捧,至今都依然是人类观测神经活动最为直接的手段。

传统的钙成像技术相当于是在显微镜下做“现场直播”,而即便是果蝇还没芝麻粒大的大脑,在显微镜下也是一个庞然大物。这情形有点像是用间谍卫星扫描地球,要看全局就得忽略细节,而要看清细节,就看不了太广阔的区域。

然而,随着神经科学的进步,人们认识到大脑运作可能会同时借助于许多空间上距离甚远的脑区的相互协作。对这些过程进行研究,要求人们对整个大脑的神经活动进行细致的观测——传统的钙成像技术对此显得捉襟见肘。更麻烦的是,由于传统钙成像要求成像的光路极为稳定,因此常常需要把作为观测对象的实验动物严格束缚起来。被人强行“捆绑play”的动物,大脑活动势必与自由自在的状态存在差别,对科研人员而言,这样获得的数据恐怕在说服力上多少需要打些折扣。正因如此,神经科学迫切需要一种能够兼顾全局和微观的新型钙成像技术。

CaMPARI:定格瞬间为永恒

如果一颗间谍卫星想要同时对大片区域进行扫描,需要怎么做?最简单的方法就是对目标区域拍摄一张超高分别率的照片,然后再对这张超大型照片进行仔细观察。孙一和同事的思路也与此相仿,但不同的是,他们直接把大脑本身做成了拍摄这幅照片的“胶片”。

就像胶片上有能感光变色的化合物一样,研究团队设计了一种新型蛋白质,这种蛋白质在基准状态下会发出绿色荧光,而如果对其同时使用高浓度的钙离子与紫外光照射处理,它就会不可逆地转变成另一种能发出红色荧光的构象。他们将这种新型蛋白命名为“钙调光激活比率积分传感器”(calcium-modulated photoactivatable ratiometric integrator),简称CaMPARI——跟著名的“金巴利”酒同名。

CaMPARI工作原理示意图:发绿色荧光的CaMPARI在高钙离子浓度和紫外光双重作用下转化为发红色荧光的新构象。图片来源:参考文献 编译:鬼谷藏龙

研究人员通过转基因等技术将这种新型蛋白导入到动物的神经系统中,然后在需要的时候用高强度的紫外光对动物的大脑进行“曝光”。这样,当时的神经活动信息就永久地以荧光的形式保留在了大脑中。只要把大脑拿出来检查一下哪些神经发红光,哪些神经发绿光,就可以知道“曝光”期间哪些神经元是活跃的了。因为紫外光可以对着整个大脑进行照射,所以理论上,人们可以对全脑进行检查。

图中显示了一个在“曝光”期间活跃的神经元(显示紫红色)和一个不活跃的神经元(显示为绿色)。图片来源:参考文献

“CaMPARI的主要优势在于紫外光触发、时间分辨率和基因靶向性。CaMPARI基于神经活动导致的钙离子浓度变化,且由紫外光触发,因而可以在毫秒水平进行时间控制。以往的技术手段常常需要数小时甚至数天的重复,而CaMPARI实验只需要数十到数百秒。”孙一向果壳网科学人介绍说,“此外,传统技术难以在特定神经细胞中表达,而CaMPARI则具有非常灵活的靶向性。”通过将CaMPARI蛋白与某些特定的生物标记物(Biomarker)相偶联起来,科学家还能针对性地观测某些特定种类神经元的活动情况。

实践出真知

理论再动听,如果不真刀真枪地试试终究不令人信服。为了检测CaMPARI的实用性,研究团队分别在斑马鱼幼鱼、果蝇幼虫、果蝇成虫和小鼠身上测试了这套新系统。“我们选择的四个模式系统涵盖无脊椎动物,脊椎动物乃至哺乳动物,包括了最为常用的几个神经科学动物模型。”孙一表示,CaMPARI在这些系统的成功演示奠定了钙积分成像广泛应用的基础。

利用CaMPARI系统对一条斑马鱼进行“快照”的实验装置示意图。图片来源:参考文献 编译:鬼谷藏龙

例如,斑马鱼由于其头部完全透明而经常被作为钙成像的实验对象。研究团队通过简单改变斑马鱼的状态并检测不同状态下斑马鱼脑部的神经活动情况,结果发现CaMPARI可以良好地反应斑马鱼脑部的神经活动,比如在麻醉状态下斑马鱼脑部因为受抑制而表现出一片绿色,而在药物诱导癫痫的状态下,神经元的广泛异常放电则使其整个大脑都全面飘红。

CaMPARI系统对斑马鱼的检测实验,结果证明CaMPARI系统可以很好地反应斑马鱼的脑部神经活动。图片来源:参考文献 编译:鬼谷藏龙

不过,出于一些技术原因,这套系统暂时还不能被应用于认知神经科学研究中最重要的动物模型——非人灵长类动物的全脑扫描上。孙一表示:“最近灵长动物转基因技术进步很快,CaMPARI的应用,特别是局部脑组织的应用,应该没有明显的技术壁垒。但对于全脑实验,由于灵长动物脑组织较大,而脑组织对紫外光有吸收,如何均一稳定地进行紫外照射将是一个问题。”

对多种动物进行了多项不同目的、不同内容的测试表明,CaMPARI系统很可能是一种前景广阔的新型神经观测技术。孙一指出:“作为一种快速灵敏的神经活性标记技术,CaMPARI可能在脑功能图谱(brain mapping)和连接组学(connectomics)方面有潜在应用。”不过他也坦承,现有的系统还存在诸多有待改进之处。“作为钙积分成像的初次验证,CaMPARI 1.0 的灵敏度还不够高。”孙一说,“灵敏度可以通过延长积分时间(注:也就是“曝光”时间)达到。但这可能导致光毒性。因而更高的灵敏度将会提高信噪比和减少光毒性。”

(编辑:Calo)

参考文献:

  1. Fosque, Benjamin F., et al. "Labeling of active neural circuits in vivo with designed calcium integrators." Science 347.6223 (2015): 755-760.

文章题图:hhmi.org

(责任编辑:泉水)
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