对脑电活动如何在大脑中传播的完美观察
由波士顿大学、麻省理工学院的澳门威尼斯人注册网站研究人员开发的新成像技术可以探测到比以往更多的单个脑细胞在大脑中放电
安妮·特拉弗顿著
脑细胞利用快速的电脉冲发挥作用，这一过程是我们思想、行为和感知世界的基础。然而，长期以来，科学家们一直难以准确地看到单个神经元是如何在更大的电路中协同工作的。
现在，《自然》杂志报道的一项新技术终于给出了迄今为止最清晰的脑细胞活动图像。波士顿大学（Boston University）和麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的澳门威尼斯人注册网站研究人员利用一种电压感应分子，当脑细胞处于电活动状态时，这种分子会发出荧光。他们已经证明，当老鼠大脑内的单个神经元放电时，他们可以看到比以前更多的神经元活动。
有了这种新的电压传感器，即使神经元在电活动中没有产生大的尖峰，也可以测量活动中非常小的波动。这可以帮助神经科学家澳门威尼斯人注册网站研究微小的波动是如何影响神经元的整体行为的，这在以前很难在活体大脑中做到，论文的共同通讯作者、波士顿大学工程学院生物医学工程副教授韩雪（音）在描述这一进展时说。
麻省理工学院的共同通讯作者爱德华·博伊登说，这项技术可以用简单的光学显微镜来完成，它可以让神经科学家将某些细胞群的放电与特定行为联系起来。“如果你想澳门威尼斯人注册网站研究一种行为或一种疾病，你需要对神经元群体的活动进行成像，因为它们在一个网络中协同工作。”
到目前为止，通过在大脑中插入电极来测量神经元的电活动是可能的，但这种技术是劳动密集型的，通常只允许澳门威尼斯人注册网站研究人员一次记录一个神经元的活动。多电极阵列可以同时监测许多神经元的电活动，但不可能记录一块脑组织中所有神经元的密集活动。一种叫做钙成像的技术确实允许如此密集的采样，但它测量的是钙，这是一种间接的、缓慢的神经电活动测量。
2018年，博伊登的团队首先开发了一种通过荧光探针标记神经元来监测电活动的替代方法。他们设计了一种叫做Archon1的分子，这种分子可以通过基因插入神经元，并嵌入细胞膜。当神经元的电活动增加时，分子变得更亮，这种荧光可以用标准光学显微镜看到。澳门威尼斯人注册网站研究人员表示，他们可以使用这种分子来成像透明蠕虫和斑马鱼胚胎以及小鼠大脑切片中的脑电活动。但在这项新澳门威尼斯人注册网站研究中，他们想尝试在活的、醒着的、从事特定行为的老鼠身上使用它。
为了做到这一点，澳门威尼斯人注册网站研究人员需要修改探针，使其能够到达神经元细胞膜的更特定的区域，因为当分子插入整个细胞膜时，所得到的图像就会从伸展的卷须（称为轴突和树突）中变得模糊，这些卷须从神经元向外延伸，就像海星的手臂一样。澳门威尼斯人注册网站研究小组设计了一种新版本的Archon1，它专门粘附在神经元中央细胞体的膜上，而不是其外轴突或树突上。他们将这种改良的电压跟踪分子命名为SomArchon。
“使用SomArchon，你可以看到每个细胞都是一个独特的球体，”Boyden说。“与其让一个细胞的光模糊所有邻近的细胞，每个细胞可以自己大声清晰地说话，不受邻近细胞的污染。”
为了测试它在活老鼠身上的效果，博伊登与韩在波士顿大学的实验室合作。“我的实验室一直在对大脑内单个神经元的成像做大量工作，”韩说。“我们已经使用钙成像来观察大量的神经元……但是钙成像的时间尺度非常缓慢。电压的变化都发生在毫秒级的时间尺度上。这就是为什么我们一直在尝试进行电压成像。”
通过基因工程让活老鼠的脑细胞中含有SomArchon，澳门威尼斯人注册网站研究小组对老鼠在球上奔跑时，大脑中负责计划运动的部分纹状体的电活动进行了成像。他们能够同时监测许多神经元的电活动，并将每个神经元的活动与老鼠的运动联系起来。当老鼠跑步时，一些神经元的活动上升，一些下降，而另一些则没有明显的变化。前波士顿大学澳门威尼斯人注册网站研究生赛斯·本苏森（Seth Bensussen）是该澳门威尼斯人注册网站研究的三位共同第一作者之一，他领导了该团队的脑成像工作，波士顿大学澳门威尼斯人注册网站研究科学家曾华安（Hua-an Tseng）领导了这项工作的计算方面。
“多年来，我的实验室已经尝试了许多不同版本的电压传感器，但没有一个在哺乳动物的大脑中起作用，直到这个，”韩说。“有了这项技术，我们可以看到电压如何通过脑细胞膜的细微变化。我澳门威尼斯人注册网站研究的很大一部分是澳门威尼斯人注册网站研究与帕金森病和深部脑刺激相关的动力学。这些电压传感器将使我们能够澳门威尼斯人注册网站研究单个神经元如何交流，从而产生更大的神经现象。最终，它可以指导设计治疗神经退行性疾病的新疗法。”
该团队还表明，电压传感器可以与光遗传学相结合，这是韩和博伊登在十多年前开创的一项技术，使澳门威尼斯人注册网站研究人员能够用激光打开和关闭脑细胞。在这种情况下，澳门威尼斯人注册网站研究人员用光激活了某些神经元，然后测量了这些神经元的电活动。
这项工作得到了美国国立卫生澳门威尼斯人注册网站研究院、美国国家科学基金会、霍华德休斯医学澳门威尼斯人注册网站研究所西蒙斯学院学者计划、人类前沿科学计划、美国陆军澳门威尼斯人注册网站研究办公室、格兰杰基金会、皮尤基金会和波士顿大学生物医学工程系的资助。