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科学家发明新传感器，对神经元无创快速成像

大脑神经元示意图。（Shutterstock）

当你阅读这些文字时，你大脑的某些区域会显示出一连串毫秒级的电活动。可视化和测量这种电活动对于理解大脑如何让我们能够看到、听到、或阅读文字单词至关重要。然而，目前的技术限制了神经科学家更好地理解大脑是怎样工作的。

贝勒医学院及其合作机构的科学家们于8月18日在《细胞》杂志上报告了一种新的传感器，可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，并且比以前时间更长、更深入地进入大脑。这项工作为探索清醒、活跃的大脑是如何运作铺平了道路，其中包括健康和患有神经系统疾病的状态。

神经科学的重大发现

“不仅大脑的电活动非常快，并且涉及到在大脑计算中发挥不同作用的多种细胞类型”，贝勒大学神经学助理教授弗朗索瓦‧圣皮埃尔（François St-Pierre）博士说。“弄清楚如何无创伤地观察活动中动物的单个神经元的毫秒级电活动向来是一项挑战。能够做到这一点就是神经成像学的圣杯。”

现有技术可以测量大脑中的电活动。 “例如，电极可以记录非常快的活动，但无法分辨它正在探测的是什么类型的神经细胞。” 圣皮埃尔说。

研究人员通常还会使用一类特殊的荧光蛋白，它们能对与电活动相关的钙变化做出反应。可以使用双光子显微镜跟踪荧光的变化。 “这种传感器非常适合确定哪些神经元处于活跃状态，哪些没有。但是它非常慢。它是在间接测量电压变化，从而丢失了很多关键信号。”

圣皮埃尔及其同事们的目标是结合这些方法中的精华——来开发一种传感器，用于监测特定类型细胞的活动，同时捕捉快速的大脑信号。 “我们通过称为基因编码电压指示器或 GEVI 的新一代人工改造的荧光蛋白实现了这一目标。”他说。

新方法做出重大改进

新研究的共同第一作者们创建并使用了一个自动化系统，系统提供了一种更好、更有效的方法来设计和优化双光子显微镜的荧光电压指示器。

“使用这个系统，我们测试了数千种不同的荧光电压指示器并确定了 JEDI-2P，它比旧版本指示器更快、更明亮、更灵敏、更耐光。”莱斯大学电气与计算机工程专业的研究生刘说，他在圣皮埃尔实验室工作。

“通过 JEDI-2P，我们解决了老方法的三个重要缺点。”研究者说， “首先，它允许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。其次，我们能够以大约 1 毫秒的时间分辨率对电活动的尖峰进行成像。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，并且会在探测到大脑活动时产生强大信号。”

截止目前，研究人员仅限于观察大脑表面，“但多数大脑活动显然并不局限于大脑表面以下的50 微米以内”，圣皮埃尔说，“ 我们的方法使研究人员首次能够无创伤地监测大脑皮层之下的深层电压信号。”

“2014 年，我在神经科学学会会议上就这种荧光电压指示器的第一个版本发表了演讲，人们都在翻白眼。他们认为，由于巨大的技术挑战，在清醒的动物身上用荧光指标进行快速电压成像是不可能的。”圣皮埃尔说。 “八年后，我们实现了这一目标。而且该指标仍有发展空间——它不会是最后一个 JEDI!”