使用近红外光的神经传感器可以揭示动物模型内深的大脑活动

Duke University和Albert Einstein医学院的生物医学工程师，细胞生物学家和神经科学家开发了一种新型的遗传编码神经生物传感器，近红外光线。

本发明将允许研究人员非侵入地研究神经元在更深层次的水平下的火灾脑同时观看氧气消耗。

该研究显示在2020年10月26日在期刊上自然生物技术。

“科学家们一直在努力工作了很长时间，我们是第一个完成它的人，”杜克生物医学工程助理教授俊杰尧说。“组织不会吸收或散布 -红外线几乎和可见光，这允许光子渗透到脑组织比目前的标准更深。“

神经科学的最重要目标是将复杂的行为联系起来，如制造和存储记忆的过程，激活各种神经元和整个大脑的结构。研究人员完成这项艰巨任务的方式之一是通过使用遗传编码钙指标或GECIS。当在细胞中存在钙尖峰时，这些生物传感器携带荧光蛋白，当灭火时发生这种情况。

研究人员传统上使用送一个和双光子显微镜的这些生物传感器，发送光子光进入脑组织。然而，目前可用的生物传感器在可见光谱中工作，这不能非常深入地穿透组织而不被吸收或散布。由此产生的混乱可防止研究人员通过超过半毫米的组织观察。

在新的研究中，姚明，vladislav verkhusha，解剖学教授和结构生物学在爱因斯坦，加州大学伯克利和西北大学合作者团队找到了解决这个问题的方法。研究人员创造了一种可以使用近红外光进行成像的钙指示器，这可以更容易地穿透脑组织。由于近红外光不会干扰在可见光下操作的传统生物传感器，因此可以同时使用多种类型的生物传感器，而不担心它们的光谱串扰。

“我们的新钙指标基本上就像森林里的鸟类一样，”姚明说。“虽然鸟类通常飞行并发出噪音，当捕食者在树林里时，他们沉默了。你不需要特别地看到捕食者知道有危险，你只知道缺乏声音意味着那里的东西。与我们的指标同样，您不需要专门查看神经元射击，您只需要查找信号：从钙指示器发出的光明。“

“我希望近红外神经生物传感器将成为人类疾病动物模型的基本分子工具以及认知神经科学研究，使我们能够在大脑中可视化各种情绪和行为调节的机制，”Verkhusha说。“由于这些生物传感器在近红外线范围内运行，它们可以通过使用微型头戴式摄像头的行为动物的颅骨来非侵入地成像，从而使我们能够在特定活动期间可视化脑结构的脑结构。”

为了展示其在活体动物中新的钙指标的力量，姚明在公爵的小组用第二种成像技术配对，称为光声显微镜。由姚明开创，该技术允许研究人员将光和超声的性质结合起来创造高分辨率图像。

组合的荧光和光声成像表明，可以通过其完整的颅骨同时监测小鼠脑的神经元活性和脑氧合。

“我们通过同时成像大脑的氧化和神经元射击，使得两个基本支柱的燃烧能够实现强大的能力，支持全大脑的运作结构，”姚明说。“虽然氧气为大脑提供燃料，但神经元射击提供信息。”

姚明，verkhusha和团队很高兴能够与更广泛的神经科学区分享这种新技术。正如他们推向的那样，他们希望继续改善钙指示器和成像技术，因此它们可以深入了解大脑。

“我们有可能使用近红外钙指标进行研究，例如，我们如何处理海马中的记忆或阿尔茨海默病如何破坏内存能力，”姚明说。“所有这些研究领域都可以受益于有一种方式来看待大脑深处，而且对于我们来说，天空是极限。”

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