MIT 和波士頓大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的熒光探針?lè)ǎ箍茖W(xué)家觀察大腦中的電路，并將其活動(dòng)與特定行為聯(lián)系起來(lái)。他們一次成像了小鼠大腦中許多神經(jīng)元的活動(dòng)，論文發(fā)表在 Nature 上。

　　麻省理工學(xué)院和波士頓大學(xué)的研究人員最近研究使用一種熒光探針，能夠在大腦細(xì)胞處于電活動(dòng)狀態(tài)時(shí)點(diǎn)亮，可以立即對(duì)小鼠大腦中多個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)進(jìn)行成像。

　　麻省理工學(xué)院的腦科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)神經(jīng)技術(shù)教授、兼生物工程學(xué)教授 Edward Boyden 表示，只需要使用簡(jiǎn)單的光學(xué)顯微鏡，即可實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)。神經(jīng)科學(xué)家可以將大腦內(nèi)電路的活動(dòng)進(jìn)行可視化，并將其與特定行為聯(lián)系起來(lái)。 “如果想研究一種行為或疾病，就需要對(duì)神經(jīng)元群體的活動(dòng)進(jìn)行成像，讓這些神經(jīng)元群網(wǎng)絡(luò)中協(xié)同工作。” Boyden 說(shuō)。

　　研究人員表明，使用這種電壓感應(yīng)分子，可以記錄到比任何現(xiàn)有的，完全基因編碼的熒光電壓探針還多的神經(jīng)元的電活動(dòng)。 

　　這項(xiàng)研究發(fā)表在 10 月 9 日的《自然》網(wǎng)絡(luò)版上，論文通信作者是波士頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系副教授博伊登（Boyden）和薛漢（Xu Han），該研究發(fā)表在 10 月 9 日的《自然》網(wǎng)絡(luò)版上。論文主要作者還包括麻省理工學(xué)院的博士后 Kiryl Piatkevich，以及波士頓大學(xué)研究生 Seth Bensussen 和研究科學(xué)家曾華安。 

　　一、讓神經(jīng)元放電“看得見(jiàn)” 

　　神經(jīng)元使用快速的電脈沖進(jìn)行計(jì)算，這是我們的思想，行為和對(duì)世界的感知的基礎(chǔ)。測(cè)量這種電活動(dòng)的傳統(tǒng)方法需要將電極插入大腦，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且一般一次只能記錄一個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)。

　　多電極陣列可以一次監(jiān)視多個(gè)神經(jīng)元的電活動(dòng)，但其采樣密度不足以使讓所有神經(jīng)元都處于給定的范圍內(nèi)。鈣成像可以進(jìn)行這種密集的采樣，對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的電活動(dòng)的測(cè)量速度緩慢。 

　　在 2018 年，Boyden 的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種替代方法，通過(guò)使用熒光探針標(biāo)記神經(jīng)元來(lái)監(jiān)測(cè)電活動(dòng)。他的團(tuán)隊(duì)使用一種稱(chēng)為蛋白質(zhì)定向進(jìn)化的技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種名為 Archon1 的分子，該分子通過(guò)遺傳學(xué)手段插入神經(jīng)元，并嵌入細(xì)胞膜。當(dāng)神經(jīng)元的電活動(dòng)增加時(shí)，分子會(huì)變亮，這種熒光可以用標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)顯微鏡觀測(cè)到。 

　　在 2018 年的論文中，Boyden 團(tuán)隊(duì)表明，可以使用 Archon1 分子對(duì)透明的蠕蟲(chóng)、斑馬魚(yú)胚胎的大腦以及老鼠的腦切片中的電活動(dòng)進(jìn)行成像。而在剛剛發(fā)表的這項(xiàng)新研究中，團(tuán)隊(duì)希望嘗試將這種方法用于清醒的活體小鼠身上，在它們進(jìn)行特定的行為活動(dòng)時(shí)，對(duì)神經(jīng)電信號(hào)進(jìn)行成像處理。 

　　為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，研究人員必須 2018 年研究中使用的探針進(jìn)行修改，讓其插入神經(jīng)元膜的一個(gè)子區(qū)域。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng) Archon1 分子讓插入整個(gè)細(xì)胞膜時(shí)，從神經(jīng)元延伸出來(lái)的軸突和樹(shù)突也會(huì)發(fā)出熒光，使得生成的圖像變得模糊。為了克服這個(gè)問(wèn)題，研究人員在探針上附上了一種肽，可以將探針有針對(duì)性地引導(dǎo)至神經(jīng)元細(xì)胞體的膜上。這種修飾蛋白名為 SomArchon。 

　　“有了 SomArchon，我們就可以將每個(gè)單元視為不同的球體，”Boyden 說(shuō)。“每個(gè)單元都可以獨(dú)自清晰成像，不受其附近區(qū)域的污染，這樣一個(gè)單元發(fā)出的光就不會(huì)令周?chē)袇^(qū)域變得模糊了。” 利用這種熒光探針，研究人員能夠獲得與電探針記錄的測(cè)量結(jié)果相似的測(cè)量結(jié)果，從而可以在非常短的時(shí)間內(nèi)獲得活性。與現(xiàn)有技術(shù)相比，測(cè)量結(jié)果的信息性更強(qiáng)。

　　“我們想記錄毫秒級(jí)的電活動(dòng)，” Han 說(shuō)。“這和鈣成像方法的時(shí)間精度和活動(dòng)模式都有很大不同。我們真的不完全了解鈣的變化與電活動(dòng)動(dòng)態(tài)的之間關(guān)系究竟是怎樣的。” 

　　使用新的電壓傳感器，即使在神經(jīng)元未發(fā)射電脈沖時(shí)，也可以測(cè)量神經(jīng)活動(dòng)中發(fā)生的微小波動(dòng)。說(shuō)，這可以幫助神經(jīng)科學(xué)家研究微小的波動(dòng)如何影響神經(jīng)元的整體行為，而這以前在活體小鼠大腦中很難實(shí)現(xiàn)。 

　　哈佛大學(xué)化學(xué)、化學(xué)生物學(xué)和物理學(xué)教授亞當(dāng)·科恩（Adam Cohen）說(shuō)，這項(xiàng)研究“引入了一種新型而強(qiáng)大的遺傳學(xué)工具”，可以對(duì)清醒小鼠的大腦中的電活動(dòng)進(jìn)行成像。

　　“以前，研究人員必須用細(xì)玻璃毛細(xì)管對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行穿刺才能進(jìn)行電信號(hào)的記錄，而且一次只能記錄一到兩個(gè)細(xì)胞。此次 Boyden 團(tuán)隊(duì)一次記錄了大約 10 個(gè)單元。涉及的細(xì)胞很多。”這些工具為研究神經(jīng)活動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)提供了新的可能性。但是，老鼠的大腦包含約 7500 萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元，因此我們還有很長(zhǎng)的路要走。”科恩說(shuō)。 

　　二、活體腦神經(jīng)活動(dòng)連接圖，類(lèi)腦 AI 的堅(jiān)實(shí)地基 

　　研究人員還表明，這種成像技術(shù)可以與光遺傳學(xué)結(jié)合使用。光遺傳學(xué)是由 Boyden 的實(shí)驗(yàn)室和合作者共同開(kāi)發(fā)的技術(shù)，研究人員可以通過(guò)對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行基因改造來(lái)表達(dá)光敏蛋白，從而開(kāi)啟和關(guān)閉神經(jīng)元。這樣，研究人員可以光激活某些神經(jīng)元，再測(cè)量這些神經(jīng)元中產(chǎn)生的電活動(dòng)。 

　　這種成像技術(shù)還可以與擴(kuò)展顯微鏡相結(jié)合，Boyden 實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種在對(duì)腦組織進(jìn)行成像之前對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展的技術(shù)，可以更輕松地以高分辨率查看神經(jīng)元之間的解剖學(xué)聯(lián)系。 

　　Boyden 說(shuō)：“我夢(mèng)寐以求的目標(biāo)之一就是能對(duì)大腦中所有活動(dòng)進(jìn)行成像，然后使用擴(kuò)展顯微鏡來(lái)發(fā)現(xiàn)這些神經(jīng)元之間的連接。實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，我們就可以預(yù)測(cè)神經(jīng)計(jì)算過(guò)程是如何從這些連接中產(chǎn)生的。” 

　　他說(shuō)，這種神經(jīng)連接圖可以幫助我們查明導(dǎo)致腦部疾病的潛在異常，也有助于設(shè)計(jì)出更接近人類(lèi)大腦的人工智能。