看到大脑的电气活动

大脑中的神经元通过快速的电影沟通，使大脑协调行为，感觉，思想和情感。想要研究这种电活动的科学家通常用插入大脑的电极测量这些信号，这是一个令人惊奇地难以耗时的任务。

麻省理工学院研究人员现在已经提出了一种完全不同的测量方法电活动在大脑中，他们认为将易于更容易和更具信息丰富。它们开发了一种光敏蛋白质，其可以嵌入神经元膜中，在那里它发出荧光信号，该荧光信号表示特定细胞正在经历的电压的电压是多少。这可能允许科学家研究神经元的行为方式，毫秒为毫秒，因为大脑执行特定的功能。

“如果你把电极放在大脑中，就像在麻省理工学院的生物工程和大脑和认知科学副教授Edward Boyden说，就像试图通过听到一个人的谈话来了解电话交谈。”“现在我们可以记录许多人的神经活动细胞在神经循环中，当他们互相交谈时听到它们。“

Boyden是MIT媒体实验室的成员，麦格森大脑研究所，综合癌症研究所和赫米·西蒙斯教师研究所，是这项研究的高级作者，它出现在2月26日问题上的自然化学生物学。本文的牵头作者是MIT Postdocs Kiryl Piatkevich和Erica Jung。

成像电压

在过去的二十年中，科学家们已经通过成像而不是用电极记录来监测大脑中电活动的方法。发现可用于这种成像的荧光分子一直很困难;蛋白质不仅对电压的变化必须非常敏感，它们还必须快速响应并抵抗光漂白（褪色，这可能是通过暴露在光线上引起的）。

Boyden和他的同事提出了一个新的策略，寻找将满足这项愿望清单上的一切的分子：他们建造了一个可以筛选数百万蛋白的机器人，通过称为定向蛋白演化的过程，用于他们想要的特征。

“你采取了一个基因，然后你制作数百万和数百万突变基因，最后你选择了最好的工作，”Boyden说。“这就是进化在大自然中工作的方式，但现在我们在带有机器人的实验室中在实验室中进行，所以我们可以用我们想要的物业挑选出来的基因。”

研究人员制作了150万个突变版本光敏蛋白质被称为Quasar2，以前由哈佛大学的Adam Cohen的实验室设计。（反过来，这项工作是基于2010年的Boyden Lab的分子拱门。）研究人员将这些基因纳入哺乳动物细胞（每个细胞的一个突变体），然后在实验室菜肴中延长细胞并使用自动显微镜拍摄细胞的照片。机器人能够用符合研究人员寻找标准的蛋白质识别细胞，最重要的是蛋白质在细胞内的位置及其亮度。

然后，研究团队选择了五个最佳候选人，并做了另一轮突变，产生了800万候选人。机器人挑选出这些最佳七个，研究人员然后缩小到一个顶级表演者，他们称之为archon1。

映射大脑

archon1的关键特征是，一旦将基因递送到细胞中，archon1蛋白将自身嵌入到细胞膜中，这是获得细胞电压的精确测量的最佳位置。

使用该蛋白质，研究人员能够测量小鼠脑组织中的电活动，以及斑马鱼幼虫和蠕虫Caenorhabdise秀丽隐杆线虫的脑细胞。后两种生物是透明的，因此很容易将它们暴露于光和图像的荧光。当细胞暴露于某个波长的红橙光时，蛋白质传感器发出较长的红光波长，并且光的亮度对应于该细胞在给定时刻的该电池的电压。

研究人员还表明，archon1可以与通常用于沉默或刺激神经元活性的光敏蛋白质结合使用 - 这些被称为致敏蛋白 - 只要这些蛋白质反应红色以外的颜色即可。在实验中，研究人员展示了它们可以使用蓝光刺激一个神经元，然后使用Archon1测量接收来自该电池的输入的神经元中的产生效果。

研究人员正在努力使用这种技术来测量小鼠的大脑活动，因为他们执行各种任务，Boyden认为应该让他们映射神经电路并发现它们如何产生特定行为。

“我们将能够观看一个神经计算，”他说。“在未来五年左右，我们将尝试解决一些小脑完全电路。这样的结果可能会迈向了解实际上是什么思想或感觉。“

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