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神经科学新突破:GEVI监测单个神经元动态

Sep 25, 2018 No Comments

神经科学新突破:GEVI监测单个神经元动态

 

检测单个神经元的电信号将掀起神经科学的下一场革命。

2010年,生物物理学家Adam Cohen在旧金山漫步时,接到了一个让他意外的电话。来电者表示,他们检测到一个信号。在距离马萨诸塞州剑桥大约5000公里的地方,他的合作者取得了重大突破。实验失败后的又过了几个月,研究人员发现了一种荧光蛋白,当神经元间传递电信号时,该蛋白会发出荧光。

但有一些奇怪的事情发生了。当Cohen回到他在哈佛大学(Harvard University)的实验室时,他了解到实验室记录的信号都很奇怪。起初,信号在神经元上传递,荧光蛋白会发光。但随后细胞变成了明亮的斑点。Cohen指出,每次信号被记录到一半时,荧光蛋白就像坏了的灯泡,闪烁个不停。

为了解开谜题,Cohen决定参与到实验中。Cohen表示,当开始记录神经信号时,大家都忍不住屏住呼吸。一旦发现荧光蛋白正常工作,他们就会“高兴地在房间里跳来跳去”。

在他们的实验中,显微镜旁边有一个台灯,可用作照明。当时在Cohen实验室攻读研究生的Daniel Hochbaum指出,实际上,实验者的活动影响了实验结果。于是,大家取消了庆祝活动,避免人为活动对实验的扰动。一年后,该团队发表了他们的研究——这是首批证明对特定哺乳动物神经元进行基因工程修饰,可用于实时跟踪单个神经元电脉冲的研究之一。

几十年来,神经科学家一直试图观察作为大脑语言主要组成部分的快速电信号。虽然电极可以可靠地记录单个神经元的活动,但它们很难捕获多个信号,特别是长时间的信号。但是在过去的二十年里,科学家已经找到了一种将荧光、电压指示蛋白直接嵌入神经元细胞膜的方法。只要使用合适的显微镜,他们便可以观察到细胞彼此交流——无论是大声交流还是小声呢喃——时,荧光蛋白发出的荧光。电压成像还可以同时记录许多神经元之间的电颤动,然后将这些信号平均分配到大脑组织的大块上。Cohen表示,这有助于研究不同空间尺度的大脑电活动,我们不仅可以听到单个细胞的声音,还可以听到“多个神经元的咆哮”。

在过去的5年中,科学家已经发表了大约1000篇关于该主题的论文。主要的资助计划,如美国国立卫生研究院(US National Institutes of Health)的BRAIN计划,加快了新型基因工程电压指示器的开发。为了寻找更好的电压指示器,一些研究小组已经提出了筛选数百万种蛋白质以获得所需特性(如亮度)的策略。其中一种方法已经确定了一个指标,它比4年前开发的类似传感器亮两倍。

随着这些蛋白的改善,以及显微镜技术的进步,科学家希望能够阐明神经科学最大的难题:大脑中的多个细胞如何协同工作,将电脉冲系统转化为思想、行为和情感。研究人员仍在努力捕捉全方位的活动,并设法观察神经在脑组织内快速和深入放电的方法。纽约哥伦比亚大学(Columbia University)研究神经回路功能的Rafael Yuste指出,如果未来的技术可以解决这些问题,那么“它将具有革新意义”。


高速过程

人类大脑包含大约1200亿个神经元,它们不断地通过树突接收和发送信息。到达树突的化学或电信号在细胞膜上产生微小的电压变化,然后传递到细胞体。当电压变化的总和达到阈值时,神经元会发出一个较大的电位尖峰——一个动作电位。这种电脉冲沿着神经分支(轴突)以高达每秒150米的速度向另一组树突传播。然后,化学或电信号将信息从上一个神经元的树突传递给下一个神经元的树突。

神经元信号会聚、发散和同步,产生思绪、情感、动作和反应,例如脸红和婴儿的打嗝。但科学家拥有的研究工具非常有限。第一代工具开发于20世纪40年代,它是像头发丝一样细的微型电极。这种微电极可被植入大脑,精确而快速地测量膜电压。但是这种方法只能同时监测一个或几个神经元,并且监测时间较短,因为电极最终会损坏细胞。这种方法,窥一斑,但难知全豹。

尽管成对的微电极可以同时记录多达200个细胞的电活动,但由于这些电极只是靠近神经元,而不是被植入神经元,因此只能检测到动作电位,即电活动的峰值处,无法捕捉相对小的电位变化——小的电位变化不一定会引起动作电位。事实上,这些亚阈值电压变化是大脑功能的关键,因为它们逐渐累加,最终决定神经元是否会放电。

为了测量更大的细胞群体中相对安静的大脑活动,20世纪60年代,科学家开始研究传感器或探头,它们可在电信号刺激下发出荧光。最受欢迎的探针是钙指示剂,钙会因大幅度的电活动而流入神经元,当该指示剂与钙离子结合时,就会发出荧光。但这种被称为钙成像的技术只能间接表征电活动,无法直接记录膜电压。虽然钙成像能显示动作电位等重大事件的信号,但它会忽略对大脑功能至关重要的影响,例如膜电压的细微波动或抑制动作电位的电信号。试想一下,一场交响音乐会之后,你只听到了掌声,你知道已经演出过了,但却并不知道演奏的曲目和细节。

20世纪70年代,科学家开始研发染料传感器,直接检测膜电压的变化。最初的神经染料被无区分地涂到大脑上,标记了所有细胞,包括非神经细胞,这使得研究人员难以解析特定神经元的活动。

到了20世纪90年代,研究人员开始测试通过基因工程改造的指示器,以便只在感兴趣的神经元中添加电活动指示器。第一个基因编码电压指示器(genetically encoded voltage indicator, GEVI)于1997年开发;自此,科学家制造了20多个传感器。其中一些是通过将电压敏感蛋白与荧光分子结合而制成的(图“不同类型的荧光蛋白”)。当这些蛋白检测到电位变化时,它们会改变自身3D结构,并同时改变与其偶联的分子的荧光。其它电压指示器是视紫红质的突变体。暴露于光时,这种荧光分子会引起质膜电压变化。此外,当发生膜电压变化时,这些蛋白质的荧光也会发生变化。

 

 

不同类型的荧光蛋白

 

细节最重要

到目前为止,GEVI已能成功地追踪单个神经元的动作电位,它既能追踪培养皿中的神经元的电活动,又能追踪从昆虫到小鼠等各种动物的完整大脑的电活动。Cohen表示,该技术最大的优势之一是不仅可以记录大规模电位变化,还可以记录小规模的亚阈值变化,这些变化反映了神经元从相邻细胞接收的信息。电压成像可以让你看到体内神经元的输入信号,这是我们以前无法看到的。

在过去的一年中,Cohen等人开发了新的GEVI技术,并改进了显微镜技术,以便同时记录来自许多神经元的亚阈值电压变化。该团队还能够最长在一周之后记录相同神经元的电活动。剑桥麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的神经科学家Ed Boyden表示,能够确切地知道正在记录哪些神经元并随时跟踪它们,这使研究人员能够看到这些神经元之间的连接。通过这种方式,你可以将大脑的结构与其功能联系起来,这是所有神经科学的核心问题之一。

GEVI的另一个优点是,与主要记录来自细胞体的信号的电极不同,它们可以记录来自神经细胞任何部分的电信号,包括树突的尖端。这就像能听出钢琴家在用左手弹出音符一样。加拿大魁北克市拉瓦尔大学(Laval University)的神经生物学家Katalin Toth指出,这是她一直梦寐以求的事情,自己并不孤单,许多神经科学家正在努力追踪整个神经元的电压,以了解它在细胞不同区域的变化。

伊利诺伊州芝加哥大学(University of Chicago)的神经生物学家Wei Wei正在使用GEVI来研究小鼠视网膜的神经元如何整合不同的电输入。Wei对一类神经元很感兴趣,这种神经元在向特定方向移动时会对视觉刺激作出更强烈的反应。通过观察膜电压如何在这些神经元的不同部分发生变化,她希望了解细胞如何整合输入信号以检测运动方向。

巴黎里昂高等师范学校(Ecole Normale Supérieure)的神经生理学家Vincent Villette计划使用电压传感器来研究亚阈值电信号的规律波动是如何影响小鼠小脑中的神经元对肌肉活动的管理与协调的。Villette指出,关于神经细胞如何共同作用,还有很多未解之谜。 

获得膜电压的可视读数还可以让科学家看到抑制神经元的电信号。法国地中海神经生物学研究所(Mediterranean Institute of Neurobiology)的神经生物学家Rosa Cossart表示,由于抑制信号不可能用钙成像等方法进行记录,因此尚不清楚它们如何形成大脑活动。

Cossart多年来一直在使用电极和钙成像,但她现在急于尝试GEVI。她希望这些传感器能让她在活鼠体内同时测量多个神经元(至少50个)的快速电压变化。Cossart表示,这将有助于理解神经元群如何整合电信号,包括兴奋性信号和抑制性信号——来支持对大脑发育和功能至关重要的活动。

 

深刻的挑战

尽管有很高的期望,但在实验室使用GEVI并不容易。以Helen Yang为例:作为加州斯坦福大学(Stanford University)的研究生,她决定尝试将GEVI作为一种研究果蝇视觉系统神经元的方法。但是,在第一次实验期间,通过显微镜观察,Yang发现细胞的荧光并没有出现变化(即使当她看到苍蝇眼中闪过一道光线时)。后来她分析数据时,才意识到视觉刺激其实产生了一个信号——一个很小的信号。对此,她表示她非常兴奋,但她的实验室伙伴却不那么兴奋,因为这些信号很小,而且噪音信号太多。

Yang开始改善显微镜设置,增加激光功率和加速成像。她基本上已经设置到了显微镜的极限,这是因为指示器对电信号的响应非常快,以至于几分之一秒内的荧光变化都能被检测到。Yang表示,在细胞响应期间捕获一帧电位变化,你会发现响应真的不大。

Yang最终成功地使用GEVI研究了苍蝇的神经元如何处理视觉线索(visual cues),但她所面临的各种挑战始终是GEVI成为主流技术的一大障碍。Cohen指出,GEVI需要先进的,通常是定制的显微镜平台。老式的荧光显微镜目前还无法做到这一点。

斯坦福大学(Stanford University)的蛋白质工程师Michael Lin表示,过去五年来,BRAIN倡议的财政支持推动了该领域的进步,包括开发更好的GEVI。

在开发新传感器的同时,科学家正致力于开发对大脑中快速传播的电信号进行精准成像的技术。其中一个挑战是大多数可用技术仅适用于培养皿中或大脑表面的细胞。但是,哺乳动物的大脑并不透明。加州大学伯克利分校(University of California)的物理学家Na Ji指出,事实上,它看起来像豆腐。

为了更深入地开展相关研究,我们必须转向更具侵入性的方法,例如去除一些上覆组织,或将一种名为微内窥镜的微小光学设备直接粘贴到大脑中。一种替代的、非侵入性的、用于观察不透明的、深达1毫米的组织的技术是双光子显微镜(two-photon microscopy)。由于该技术使用更长的波长,更低能量的光,所以可以深入组织。不过,鉴于双光子显微镜一次仅从一个点照射和记录,因此它们捕获图像的速度太慢,无法跟踪大脑中的快速电位变化。但专家们相信,该技术的进步将很快就能够让GEVI以更高的速度捕获信号。Ji表示,这绝对可行。

如果不同的方法可以克服这些挑战,那么科学家毫不怀疑电压成像将成为测量大脑活动的标准方法。斯坦福大学(Stanford University)的神经生物学家Thomas Clandinin指出,在接下来的一两年里,我们会看到许多应用电压传感器来解决生物学问题的论文。有研究人员表示,该技术甚至可能可以取代电极,成为解决与神经元如何处理和整合信息有关的问题的主流工具。

早期职业研究人员特别乐观:现在波士顿哈佛医学院(Harvard Medical School)的博士后研究员Hochbaum表示,从长远来看,GEVI将成为研究细胞中不同部位如何应对阈值信号的工具。他计划使用电压成像来了解这些信号如何改变神经元之间的连接,这是学习的关键过程。Hochbaum指出,这些可能性令人兴奋,但是他基于以往的经验得到了一个重要教训:开展实验时,不要高兴得太早。

 


原文检索:
Giorgia Guglielmi. (2018) A new way to capture the brain’s electrical symphony. Nature, 561:300-302. 
张洁/编译

 

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