新的方法可以在神经元计算时将它们可视化

麻省理工学院(MIT)和波士顿大学(Boston University)的研究人员使用一种荧光探针,当脑细胞处于电活动状态时,荧光探针就会亮起来。

这种技术,可以使用一个简单的光学显微镜,可以让神经科学家想象活动大脑内的电路和链接他们特定的行为,爱德华Boyden说y Eva谭教授在脑科学和生物工程教授,麻省理工学院大脑与认知科学系。

“如果你想研究一种行为或一种疾病,你需要想象神经元群的活动,因为它们在一个网络中协同工作,”博伊登说,他也是麻省理工学院麦戈文大脑研究所、媒体实验室和科赫综合癌症研究所的成员。

利用这种电压感应分子,研究人员表明,他们可以记录更多的神经元的电活动,这比任何现有的、完全遗传编码的荧光电压探针都要多。

博伊登和波士顿大学生物医学工程副教授薛涵是这项研究的资深作者,该研究发表在10月9日的网络版《自然》杂志上。论文的主要作者是麻省理工学院博士后Kiryl Piatkevich,波士顿大学研究生Seth Bensussen和波士顿大学研究科学家Hua-an Tseng。

看到连接

神经元通过快速的电脉冲进行计算,而电脉冲是我们思考、行为和感知世界的基础。测量这种电活动的传统方法需要在大脑中插入一个电极,这是一个劳动密集型的过程,通常允许研究人员一次只记录一个神经元。多电极阵列允许同时监测多个神经元的电活动,但它们的采样密度不够,无法在给定的体积内获得所有神经元。钙成像确实允许这样密集的采样,但它测量的是钙,一种间接的、缓慢的神经电活动测量。

2018年,博伊登的团队开发了一种替代方法,通过荧光探针标记神经元来监测电活动。利用一种被称为定向蛋白质进化的技术,他的团队设计了一种名为Archon1的分子,它可以通过遗传的方式插入神经元,并嵌入细胞膜。当神经元的电活动增加时,分子变得更亮,用标准的光学显微镜可以看到这种荧光。

在这篇2018年的论文中,博伊登和他的同事们展示了他们可以利用这种分子来描绘透明蠕虫和斑马鱼胚胎以及小鼠大脑切片中的电活动。在这项新的研究中,他们想尝试在活的、清醒的老鼠身上使用这种方法,因为它们从事一种特定的行为。

为了做到这一点,研究人员必须修改探针,使其进入神经元膜的一个亚区。他们发现,当分子插入整个细胞膜时,产生的图像是模糊的,因为从神经元延伸出来的轴突和树突也会发出荧光。为了克服这一问题,研究人员在探针上加入了一种小肽,这种小肽可以将探针特异性地引导到神经元细胞膜上。他们称这种修饰过的蛋白质为SomArchon。

“使用SomArchon,您可以将每个细胞视为一个不同的球体,”Boyden说。“与其让一个细胞的光线模糊了它所有的邻居,不如让每个细胞自己大声清晰地说话,不受周围细胞的污染。”

研究人员用这个探针来描绘大脑中被称为纹状体的部分的活动,纹状体参与了老鼠在球上奔跑时的运动计划。他们能够同时监测几个神经元的活动,并将每个神经元的活动与小鼠的运动联系起来。当老鼠跑步时,一些神经元的活动增加,一些下降,而另一些则没有明显的变化。

“多年来,我的实验室尝试了许多不同版本的电压传感器,但没有一个在哺乳动物的大脑中起作用,直到这个,”韩说。

使用这种荧光探针,研究人员能够获得类似于电子探针记录的测量结果,电子探针可以在非常短的时间内检测到活动。这使得测量数据比现有的技术,如成像钙,更有信息含量,神经科学家经常用它来代替电活动。

“我们想要以毫秒为单位记录电活动,”韩说。“我们从钙成像中得到的时间尺度和活动模式非常不同。我们真的不知道这些钙离子的变化是如何与电动力学相关的。”

有了新的电压传感器,即使在神经元没有放电的情况下,也可以测量神经元活动的微小波动。这可以帮助神经科学家研究微小的波动如何影响神经元的整体行为,而这在以前的大脑中是非常困难的,Han说。

哈佛大学化学、化学生物学和物理学教授亚当·科恩(Adam Cohen)说,这项研究“引入了一种新的强大的基因工具”,用于对清醒老鼠大脑中的电压进行成像。

在此之前,研究人员必须用玻璃微血管穿刺神经元来进行电子记录,而且一次只能记录一个或两个细胞。博伊登小组一次记录10个细胞。那是很多细胞,”科恩说,他没有参与这项研究。“这些工具为研究神经活动的统计结构开辟了新的可能性。但是一个老鼠的大脑包含大约7500万个神经元,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光学遗传学相结合。光学遗传学是由博伊登实验室和合作者开发的一种技术,它允许研究人员通过控制神经元表达光敏蛋白来开启和关闭神经元。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产生的电活动。

这种成像技术也可以与扩展显微镜技术相结合,博伊登的实验室开发了一种技术,在成像之前扩展脑组织,使其更容易在高分辨率下看到神经元之间的解剖学联系。

博伊登说:“我的一个梦想实验是对大脑中的所有活动进行成像,然后使用膨胀显微镜来寻找这些神经元之间的连接。”“然后我们就可以预测神经计算是如何从线路中产生的。”

博伊登说,这样的接线图可以让研究人员精确地找出导致大脑功能紊乱的电路异常,也可以帮助研究人员设计出更接近人类大脑的人工智能。

麻省理工学院的部分研究是由爱德华和凯·波伊特拉斯、美国国立卫生研究院资助的,包括主任先锋奖、查尔斯·希肯、约翰·多尔、国家科学基金会、HHMI-Simons学院学者计划、人类前沿科学计划和美国陆军研究办公室。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/flourescent-visualize-neuron-activity-1009

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