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2010年，生物物理學(xué)家亞當(dāng)·科恩（Adam Cohen）漫步于加利福尼亞舊金山時(shí)，接到一個(gè)意料之外的電話：“我們捕捉到信號(hào)了！”電話的另一端在5 000公里之外的馬薩諸塞州坎布里奇，是他的合作者一鏟挖到了寶藏。在實(shí)驗(yàn)失敗了幾個(gè)月后，研究者終于發(fā)現(xiàn)了一種熒光蛋白，可以反映信號(hào)在神經(jīng)元間的傳遞。

但出了件怪事。當(dāng)科恩回到哈佛大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，他發(fā)現(xiàn)所有實(shí)驗(yàn)中的記錄都呈現(xiàn)出一種奇怪的趨勢(shì)。最初，蛋白修飾的神經(jīng)元都在電沖動(dòng)一閃而過(guò)時(shí)發(fā)出閃光。但接著，細(xì)胞就持續(xù)發(fā)光，形成了明亮的斑點(diǎn)?！懊看斡涗浀揭话霑r(shí)，信號(hào)就像發(fā)了狂一樣?！笨贫髡f(shuō)。

因此他決定和他的團(tuán)隊(duì)一起進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)。“當(dāng)記錄開(kāi)始時(shí)，他們緊張地屏住呼吸，”科恩說(shuō)，“接著實(shí)驗(yàn)成功了，他們開(kāi)始慶祝，繞著屋子邊跑邊跳?！?/p>

在他們興奮地慶祝時(shí)，桌上的臺(tái)燈正巧照到了顯微鏡上?！拔覀兤鋵?shí)記錄下了我們的興奮?！碑?dāng)時(shí)科恩團(tuán)隊(duì)中的一個(gè)研究生丹尼爾·霍克巴姆（Daniel Hochbaum）說(shuō)。歡呼聲漸漸平息，一年后，科恩的團(tuán)隊(duì)發(fā)表了研究成果——修飾哺乳動(dòng)物特定神經(jīng)元的熒光蛋白能夠用于實(shí)時(shí)記錄單個(gè)神經(jīng)元的電沖動(dòng)。他們是最先發(fā)表這一成果的研究團(tuán)隊(duì)之一。

神經(jīng)科學(xué)家多年來(lái)一直在嘗試記錄轉(zhuǎn)瞬即逝的神經(jīng)元電信號(hào)——腦活動(dòng)的主要內(nèi)容。盡管電極作為可靠的電壓測(cè)量手段能測(cè)定單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)，卻很難在神經(jīng)元數(shù)量和記錄時(shí)間上有所突破。過(guò)去的20年中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了向神經(jīng)元細(xì)胞膜上植入可指示電壓的熒光蛋白的方法。在特定的顯微鏡下，細(xì)胞便顯露出它們間的對(duì)話來(lái)，或是一絲低語(yǔ)，或是一聲呼喊。電壓圖像還能夠同時(shí)記錄一大片神經(jīng)元間的“對(duì)話”，并以某一區(qū)域的腦組織作為單位將信號(hào)進(jìn)行平均化計(jì)算。這可以幫助研究者以空間尺度研究大腦的電活動(dòng)，僅僅聆聽(tīng)一個(gè)神經(jīng)元的聲音無(wú)疑無(wú)法做到這一點(diǎn)，我們需要記錄的是科恩比喻的“眾人的喧鬧聲”。

過(guò)去5年中，科學(xué)家發(fā)表了大約1 000篇這一主題的論文。同時(shí)，幾個(gè)大型的資助計(jì)劃，像美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院的“腦計(jì)劃（BRAIN initiative）”，加速了一些新型基因工程電壓指示器的發(fā)展。為了找到更好的方法，一些課題組甚至提出對(duì)數(shù)百萬(wàn)的蛋白進(jìn)行篩選的策略，希望以此來(lái)找到具有一定特性，比如具有一定亮度的發(fā)光蛋白。其中一個(gè)課題組成功地鑒定出一種指示蛋白，相比4年前研發(fā)的類似指示系統(tǒng)，具有兩倍的亮度。

這些蛋白不斷進(jìn)步的同時(shí)，顯微鏡技術(shù)的發(fā)展也使人們得到更清楚的圖像，科學(xué)家希望以此解決神經(jīng)科學(xué)最大的謎團(tuán)：腦中的細(xì)胞是如何共同運(yùn)作將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為思想、行動(dòng)和情感的。研究者仍然希望可以捕捉到全范圍的腦活動(dòng)，并試著設(shè)計(jì)出新方法來(lái)觀察腦組織內(nèi)快而深的神經(jīng)沖動(dòng)。如果這些技術(shù)難題被攻克，紐約市哥倫比亞大學(xué)研究神經(jīng)環(huán)路功能的拉斐爾·尤斯特（Rafael Yuste）指出：“這將是革命性的。”

多種多樣的熒光

科學(xué)家如今已經(jīng)建立了一些不同類型的基因編碼電壓指示器（GEVIs）。其中主要的一種（上）將電壓感受蛋白，譬如鈉離子通道的膜結(jié)合部位，與一個(gè)或多個(gè)熒光視紫紅質(zhì)相融合，一個(gè)膜通道將直接改變其對(duì)電場(chǎng)反應(yīng)的熒光特質(zhì)。

電壓感受融合蛋白

基于視蛋白的電壓指示器

膜上的電位變化使GEVI改變形狀，降低附著蛋白的熒光

膜上的電位變化可以使視黃醛——視蛋白中的“光敏元件”結(jié)合一個(gè)質(zhì)子，改變其熒光

高速進(jìn)程

人腦平均約含1 200億個(gè)神經(jīng)元，它們無(wú)時(shí)無(wú)刻不在運(yùn)作著，通過(guò)樹(shù)突等樹(shù)枝狀突起接收和發(fā)出信息。到達(dá)樹(shù)突的化學(xué)或電信號(hào)使樹(shù)突的細(xì)胞膜產(chǎn)生微小的電位變化，并傳至胞體。當(dāng)電位的改變到達(dá)所謂的“閾值”后便不再恢復(fù)，神經(jīng)元膜上將激起一個(gè)巨大的峰電位，即動(dòng)作電位。這一電位將沿著神經(jīng)元突起中的軸突，以每秒150米的速度傳遞至另一組樹(shù)枝狀突起。并于此通過(guò)化學(xué)或電信號(hào)將信息傳遞至周?chē)渌窠?jīng)元的樹(shù)突。

神經(jīng)元信號(hào)匯聚、分散并同步化，奏出思想、情感、行為和反應(yīng)的交響曲，從害羞時(shí)的面紅耳赤，到新生兒的打嗝。但科學(xué)家聆聽(tīng)這首樂(lè)曲的手段相當(dāng)有限。最初于20世紀(jì)40年代，科學(xué)家用細(xì)如發(fā)絲的微小電極插入腦中，置于神經(jīng)元的表面或內(nèi)部，以此精確而又快速地測(cè)量到細(xì)胞膜上的電位。但這一方法的局限在于只能同時(shí)測(cè)量一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)神經(jīng)元，也只能維持有限的一段時(shí)間，畢竟電極終將破壞細(xì)胞。這正像是只給人聽(tīng)交響樂(lè)團(tuán)中的一個(gè)演奏者幾秒鐘的演奏，卻讓人從中領(lǐng)會(huì)到整首交響樂(lè)的編曲精髓所在，只能說(shuō)是管窺蠡測(cè)。

成束的微電極可以同時(shí)記錄超過(guò)200個(gè)細(xì)胞的電活動(dòng)，但由于這些電極被置于細(xì)胞膜外表面附近，而非細(xì)胞膜內(nèi)，只能檢測(cè)到電活動(dòng)中最劇烈的電位變化——?jiǎng)幼麟娢?。它們?tīng)不到那些樂(lè)曲中弱音——那些微小而不引起動(dòng)作電位的電位變化。但這些閾下電位變化卻至關(guān)重要，是它們的逐漸累積確定了神經(jīng)元何時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作電位。

為了在更小的電活動(dòng)程度和更大的數(shù)量上進(jìn)行測(cè)量，20世紀(jì)60年代，科學(xué)家開(kāi)始設(shè)想是否可以設(shè)計(jì)一種感受器或探針，在電信號(hào)的作用下能夠發(fā)出熒光。最常用的探針是鈣指示劑，當(dāng)電活動(dòng)產(chǎn)生峰電位時(shí)，鈣離子流入神經(jīng)元，而鈣指示劑在結(jié)合鈣離子后發(fā)光。但鈣離子成像這一技術(shù)僅僅能間接反映細(xì)胞電活動(dòng)，并不能直接記錄細(xì)胞膜電位。同時(shí)，盡管它能記錄動(dòng)作電位這種較為劇烈的電位變化，仍然對(duì)微小的膜電位變化或抑制了動(dòng)作電位的電信號(hào)充耳不聞。這又如同是僅僅聽(tīng)到交響樂(lè)結(jié)束后的掌聲震耳欲聾，顯然演出這一事件發(fā)生了，但演奏內(nèi)容不得而知。

20世紀(jì)70年代，科學(xué)家開(kāi)始研發(fā)能夠直接檢測(cè)細(xì)胞膜電位變化的染料傳感器。最初的染料必須被無(wú)差別地涂布于整個(gè)腦組織，因此所有種類的細(xì)胞都被標(biāo)記了，那些同樣被標(biāo)記的非神經(jīng)元細(xì)胞，就使解析特定的神經(jīng)元電活動(dòng)變得很困難。

到了90年代，研究者開(kāi)始嘗試能夠通過(guò)基因工程技術(shù)表達(dá)于特定神經(jīng)元的指示器。第一個(gè)基因編碼電壓指示器（genetically encoded voltage indicator，GEVI）于1997年問(wèn)世，這之后，許多研究者如法炮制，研發(fā)得到了超過(guò)20種傳感器。其中有些是通過(guò)將電壓敏感蛋白同熒光分子相結(jié)合（見(jiàn)上圖“多種多樣的熒光”）。當(dāng)這些蛋白在檢測(cè)到電位變化后，三維結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，結(jié)合分子的熒光進(jìn)而發(fā)生變化。另一種傳感器則是微生物視紫紅質(zhì)的突變體，這是一種在光照條件下可使質(zhì)膜電位發(fā)生變化的熒光分子。它也可以反其道而行之，在膜電位變化時(shí)，改變其熒光。

細(xì)節(jié)決定成敗

至今為止，GEVIs已成功在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿中的神經(jīng)元細(xì)胞和從昆蟲(chóng)到小鼠的許多種動(dòng)物的完整大腦中，記錄了單個(gè)動(dòng)作電位。這一技術(shù)最有前景之處在于它有可能實(shí)現(xiàn)記錄膜電位除了劇烈電位變化之外的、微小的閾下變化，以此反映出神經(jīng)元細(xì)胞從周?chē)?xì)胞中接收到的訊息?？贫髡f(shuō)：“電壓成像讓人們看到體內(nèi)神經(jīng)元的輸入信號(hào)，這在以前如同是天方夜譚?！?/p>

在過(guò)去一年，科恩和他的同事們開(kāi)發(fā)了新的GEVIs，并改善了顯微鏡技術(shù)，使同時(shí)記錄大量神經(jīng)元的閾下電位變化成為可能，并在小鼠腦內(nèi)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。他的團(tuán)隊(duì)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了記錄同一神經(jīng)元最多一周后的電活動(dòng)?！按_切了解實(shí)驗(yàn)中記錄了哪些神經(jīng)元，并長(zhǎng)期跟蹤它們的活動(dòng)，讓研究者有機(jī)會(huì)了解到神經(jīng)元間的連接，”麻省理工學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家艾德·博伊登（Ed Boyden）說(shuō)，“通過(guò)這種方法，就可能將腦的結(jié)構(gòu)與功能聯(lián)系起來(lái)，這是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域中的核心問(wèn)題之一。”

GEVIs的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，它不同于電極主要從細(xì)胞胞體處記錄，而能夠從神經(jīng)細(xì)胞的任意部位記錄電信號(hào)，從胞體一直到樹(shù)突末端（見(jiàn)下圖“直擊多尺度”）。這如同是能夠直接聽(tīng)見(jiàn)鋼琴家左手彈奏的音符?！斑@是我多年來(lái)的夢(mèng)想，自然我也絕非一人，”加拿大魁北克省拉瓦爾大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)家凱特琳·托斯（Katalin Toth）說(shuō)，“許多神經(jīng)科學(xué)家都努力通過(guò)追蹤神經(jīng)元整體的電壓變化，來(lái)研究電壓在細(xì)胞不同區(qū)域內(nèi)的變化。”

伊利諾伊州芝加哥大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)家魏巍正使用GEVIs研究不同的電輸入信號(hào)是如何在小鼠視網(wǎng)膜神經(jīng)元內(nèi)被整合的。魏巍的研究興趣涉及一類能夠?qū)σ欢ǚ较蜻\(yùn)動(dòng)的視覺(jué)刺激產(chǎn)生強(qiáng)烈反應(yīng)的神經(jīng)元。通過(guò)觀測(cè)這些神經(jīng)元不同部位膜電位的變化，她希望可以理解細(xì)胞如何處理輸入信號(hào)，以探測(cè)刺激的運(yùn)動(dòng)方向。

巴黎高等師范學(xué)校的神經(jīng)生理學(xué)家文森特·維萊特（Vincent Villette）利用電壓傳感器研究閾下電信號(hào)的周期性波動(dòng)如何影響小鼠小腦神經(jīng)對(duì)肌肉活動(dòng)的協(xié)調(diào)。維萊特表示：有關(guān)細(xì)胞如何協(xié)同運(yùn)作，我們還知之甚少。

直擊多尺度

GEVIs有希望用于多種尺度上的神經(jīng)元成像。GEVIs在組織中可用于同時(shí)測(cè)量許多神經(jīng)元；亦可用于觀測(cè)僅由幾個(gè)神經(jīng)元組成的小型細(xì)胞環(huán)路中的信號(hào)交換；還可以用于研究單個(gè)細(xì)胞中的信號(hào)傳導(dǎo)?，F(xiàn)有的其他技術(shù)如鈣離子成像和電極如今都不能實(shí)現(xiàn)這種多尺度的成像。

組織層面探索

科學(xué)家如今可以觀測(cè)到嚙齒動(dòng)物軀體感覺(jué)皮質(zhì)小樣本中波狀的熒光變化

環(huán)路解剖

GEVIs可以用于追蹤果蠅腦在處理信息時(shí)，多個(gè)神經(jīng)元的電反應(yīng)

亞細(xì)胞觀測(cè)

用GEVIs可追蹤單個(gè)神經(jīng)元上動(dòng)作電位傳遞至單個(gè)樹(shù)突的過(guò)程

如果能夠直觀地讀出細(xì)胞的膜電位，那么科學(xué)家們就可以對(duì)抑制神經(jīng)元活化的電信號(hào)進(jìn)行研究，而不是僅僅將研究局限于激活信號(hào)上。法國(guó)馬賽港地中海神經(jīng)生物學(xué)研究所的神經(jīng)生物學(xué)家羅莎·柯薩特（Rosa Cossart）指出：由于鈣離子成像等方法無(wú)法記錄抑制性信號(hào)，我們并不清楚這類型號(hào)是如何影響腦活動(dòng)的。

柯薩特長(zhǎng)年以來(lái)使用電極和鈣離子成像作為實(shí)驗(yàn)手段，如今她很希望試試GEVIs。她希望這些傳感器能幫助她在同一時(shí)間測(cè)量到活小鼠的多個(gè)神經(jīng)元間——至少50個(gè)——高速傳遞的電位變化?！斑@將有利于理解一組組神經(jīng)元是如何整合電信號(hào)——無(wú)論興奮性還是抑制性信號(hào)——來(lái)支持對(duì)腦發(fā)育和功能而言無(wú)比重要的活動(dòng)?！?/p>

深層挑戰(zhàn)

過(guò)去5年中，“腦計(jì)劃”的財(cái)政資助加速了這一領(lǐng)域的進(jìn)步，“也發(fā)展出了更好的GEVIs技術(shù)。”斯坦福大學(xué)的蛋白質(zhì)工程師邁克爾·林（Michael Lin）表示。

新傳感器研發(fā)的同時(shí)，科學(xué)家還在進(jìn)行對(duì)大腦中傳播的快速電信號(hào)進(jìn)行精準(zhǔn)成像的研究。挑戰(zhàn)在于，現(xiàn)如今的技術(shù)僅僅對(duì)培養(yǎng)皿中的細(xì)胞或腦的表面組織有效，但是“哺乳動(dòng)物的腦并不是透明的，”加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)家吉娜比喻道，“它看起來(lái)像豆腐?！?/p>

隨著研究的深入，研究者轉(zhuǎn)向了更有侵入性的方法，譬如去除表面的一些組織或直接向腦中刺入微內(nèi)窺鏡這種微小的光學(xué)儀器。另一種非入侵性的替代方法，可以觀測(cè)1毫米內(nèi)的不透明組織，稱作雙光子顯微鏡。這一技術(shù)使用更長(zhǎng)波長(zhǎng)、更低能量的光，能夠深穿入組織。由于雙光子顯微鏡一次只能照射并記錄一個(gè)點(diǎn)，捕捉圖像的速度過(guò)慢而跟不上腦中快速的電位變化。但專家們相信技術(shù)的進(jìn)步將很快使人們看清GEVIs產(chǎn)生的信號(hào)。吉娜表示：“這絕對(duì)可行?！?/p>

如果能以各種方法來(lái)克服這些挑戰(zhàn)，那么無(wú)疑電壓成像將成為科學(xué)家測(cè)量腦活動(dòng)的主流方法?！霸谝粌赡陜?nèi)，會(huì)有大量運(yùn)用電壓傳感器來(lái)研究生物現(xiàn)象的論文發(fā)表?！彼固垢４髮W(xué)的神經(jīng)生物學(xué)家托馬斯·克蘭迪寧（Thomas Clandinin）指出。有些人認(rèn)為這一技術(shù)甚至?xí)娲姌O，成為解決神經(jīng)元如何處理和整合信息相關(guān)問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)。

值得一提的是，新手研究者們大多相當(dāng)樂(lè)觀：波士頓哈佛醫(yī)學(xué)院的博士后研究員霍克巴姆認(rèn)為，GEVIs終將成為研究細(xì)胞中不同部位對(duì)閾下信號(hào)反應(yīng)的首選方案。他計(jì)劃用電壓成像研究信號(hào)是如何改變神經(jīng)元間連接的，這是一個(gè)學(xué)習(xí)中的關(guān)鍵步驟。“這種可能性相當(dāng)振奮人心，”霍克巴姆說(shuō)，“我當(dāng)初在顯微鏡下看到那耀眼的成像時(shí)，也曾興奮地繞著實(shí)驗(yàn)室跳起舞來(lái)，當(dāng)然后面的經(jīng)驗(yàn)告訴我：當(dāng)實(shí)驗(yàn)方法有效的時(shí)候，還是少歡呼為妙。”

資料來(lái)源 Nature