观察神经元在行动

捕捉神经元的活动形式的电冲动并不容易。信息处理发生在不同的时间尺度,包括快速变化的电压,离子浓度和多种信号分子。在一项新的研究发表在杂志上自然通讯,科学家们从光学神经成像单元的冲绳理工学院科学技术研究生院(OIST),报道了一种新开发的成像技术,地图在单一神经元电活动的动物是有意识的。这是以前一个挑战由于神经元的结构和快速电压的变化。

在大多数研究神经元如何交流,科学家记录神经元电信号的薄片内脑组织中维护一个菜。在此类实验中,神经元可以孤立地观察到,几乎没有任何来自其他神经元的输入。“从大脑切片技术神经元是如何工作的,我们学到了很多东西,但它不能给我们一个完整的神经元功能在活体动物,每个神经元与成千上万的其他神经元,”贝恩德•库恩教授解释说,这项研究的首席研究员。“现在我们可以克服这个问题。”

库恩博士和教授克里斯托弗•Roome OIST博士后研究员,使用新技术来记录浦肯野神经元的活动,在cerebellum-a大脑的一部分主要参与运动协调。这些浦肯野神经元接收从大约20000其他神经元鼠标输入,,相比之下,在200000年的人类。

科学家的成功的秘密是一个叫做ANNINE橙染料,原本马克斯普朗克研究所开发的生物化学、德国。库恩教授参与其发展20年前,此后一直在优化它电压成像。附带的染料和成像技术现在允许研究人员发现即使最微小的电压变化在一个神经元。

这项新技术的发展,最重要的是动物福利伦理和科学原因。科学家们开始通过一个很小的切口头骨访问浦肯野神经元在老鼠的大脑和转基因产生蛋白质命名GCaMP,绿色染料跟踪神经元内钙离子浓度。Roome博士发明了一种特殊的技术之前,关闭切口,同时提供一个窗口去观察神经元活动,仍然允许访问的神经元通过一个端口。这个端口使科学家们注入电压特异性ANNINE染料,一次一个细胞,使用micro-pipette。使用双光子显微镜神经元被观察到。

这种双重标记神经元ANNINE和GCaMP允许通过电压同步成像映射它们的活动和钙浓度。当一个神经元被激活时,它内部的电压变化在1000秒内。它还会导致细胞内的钙含量波动,但他们慢慢改变10到100倍左右。通过映射的电压变化,研究人员能够发现不同类型的信号比检测钙离子的浓度,通过测量发生在单个神经元。基于此电压映射技术,库恩教授和博士Roome估计每个浦肯野神经元接收来自其他神经元的大约每秒10000信号。上面图2描述了信号红点和条纹。

“这是一个研究的许多第一”,库恩教授说。它不仅是第一次电压特异性染色已经被用于检测和地图的单个神经元活动有意识的动物,这也是第一次成像,同时电活动和钙离子浓度。“本研究的光学记录是最完整的观察单个神经元是如何工作的有意识的动物,”库恩教授说。科学家们相信,这新技术将允许神经科学家学习吗神经元——我们的大脑功能的基本构建块在一个清醒和响应性的动物。

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