一种重点的成像大脑中神经活动的方法

当神经元射击电气冲动时，它们也会经历钙离子的浪涌。通过测量这些浪涌，研究人员可以间接监测神经元活动，帮助他们研究个体神经元在许多不同脑功能中的作用。

这种技术的一个缺点是由轴颈和从相邻神经元延伸的轴突和树突产生的串扰，这使得从正在研究的神经元得到独特的信号。麻省理工学院工程师现在开发了一种通过创建来克服这一问题的方法钙仅在神经元的体内积累的指示器或传感器。

“人们使用钙指标来监测大脑许多部分的神经活动，”神经技术Y. Eva Tan教授、麻省理工学院生物工程、大脑和认知科学教授爱德华·博伊登(Edward Boyden)说。“现在他们可以得到更好的结果，获得更准确的神经记录，较少受到串扰的影响。”

为了实现这一目标，研究人员将一种被称为GCaMP的常用钙指示剂与一种短肽融合在一起，短肽将其定位于细胞体。研究人员称，这种新分子被称为SomaGCaMP，可以很容易地纳入现有的钙成像工作流程中。

Boyden是该研究的高级作者，今天出现在神经元。本文的牵头作者是研究科学家或Shemesh，Postdoc Changyang Linghu，以及前博士kiryl Piatkevich。

分子焦点

GCaMP钙指示剂由一个荧光蛋白附着在钙结合上蛋白质称为钙调蛋白，以及称为M13肽的钙调蛋白结合蛋白。甘氨酸荧光在大脑中与钙离子结合时，允许研究人员间接测量神经元活动。

“钙很容易图像，因为当神经元有效时，它从细胞内部的浓度非常低，”Boyden说，他也是麻省理工学院麦格森大脑研究所，媒体实验室和媒体实验室科赫综合癌症研究所。

检测这些荧光信号的最简单方法是具有称为单光子显微镜的成像类型。这是一种相对便宜的技术，可以高速图像大脑样本，但下行的是它在邻近神经元之间拾取串扰。Gcamp进入神经元的所有部分，所以来自一个神经元的轴突的信号可以看起来好像它们来自邻居的细胞体，使信号不太准确。

一种更昂贵的技术称为双光子显微镜，可以通过非常狭窄地聚焦到单个神经元的光线来部分地克服这一点，但这种方法需要专门的设备并且也较慢。

博伊登的实验室决定采取一种不同的方法，通过修改指示器本身，而不是成像设备。

“我们认为，而不是光学聚焦光，如果我们分散指标怎么办？”他说。“很多人使用硬件，如二光子显微镜，清理成像。我们试图建立一个其他人与硬件做的分子形式。”

在去年发表的相关论文中，Boyden和他的同事使用了类似的方法来减少直接图像神经元膜电压的荧光探针之间的串扰。并行，他们决定尝试一种类似的方法，钙成像是一种更广泛使用的技术。

对于专门用于神经元细胞体的牙龈靶向，研究人员尝试将Gcamp融为许多不同的蛋白质。他们探讨了两种类型的候选者 - 天然存在的蛋白质，该候选蛋白质被覆盖在细胞体内，以及使用麻省理工学院生物学教授的人设计的肽，他也是本文的作者。这些合成蛋白质是卷绕式螺旋蛋白，其具有独特的结构，其中蛋白质线圈的多个螺旋在一起。

更少的相声

研究人员在实验室培养皿中筛选了大约30个候选神经元，然后选择了2个——一个是人工螺旋状的——一个是自然产生的肽——在动物身上进行测试。他们与Janelia研究园区研究斑马鱼的Misha Ahrens合作，发现这两种蛋白质都比原来版本的GCaMP有显著改善。信噪比(信号与背景活动强度的一种测量方法)上升，相邻神经元之间的活动显示出降低的相关性。

在波士顿大学薛汉实验室的小鼠研究中，研究人员还发现新指标降低了邻近活动之间的相关性神经元。索尔克生物研究所Kay Tye实验室使用微型显微镜(称为显微内窥镜)进行的其他研究显示，新指标显著提高了信噪比。

“我们的新指标使信号更加准确。这表明人们用常规GCaMP测量的信号可能包括串扰，”Boyden说。“细胞之间存在人工同步的可能性。”

在所有的动物实验中，他们发现这种人造的卷曲蛋白比他们测试的自然产生的肽产生更亮的信号。博伊登说，目前还不清楚为什么螺旋状卷曲蛋白如此有效，但一种可能性是它们彼此结合，使它们不太可能在细胞内传播很远。

Boyden希望使用新的分子来尝试通过蠕虫和鱼类等小型动物的整个大脑，而他的实验室也在使任何想要使用它们的研究人员提供新的指标。

“它应该很容易实现，事实上很多团体已经在使用它，”Boyden说。“他们可以只使用常规显微镜，他们已经在使用钙成像，但不是使用常规的GCaMP分子，他们可以替代我们的新版本。”

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