Science：利用双极性电压成像实时揭示多种神经元类型的电压动态变化

大脑中的信号处理涉及属于兴奋性神经元和抑制性神经元群体的多种不同细胞亚型的协同动态变化。为了揭示它们如何实时协同它们的活动，重要的是同时记录多种已确定的细胞亚型的电压动态变化。基因编码荧光电压指示剂（genetically encoded fluorescent voltage indicator, GEVI）非常适合于揭示清醒动物中一种或多种可通过基因识别的神经元类型的毫秒级激活动态变化。

来自美国耶鲁大学的研究人员先前介绍了绿色和红色荧光共振能量转移（FRET）-视蛋白GEVI：Ace-mNeon和VARNAM，它们分别是伞藻（Acetabularia）的电压敏感视紫红质（rhodopsin）与明亮的荧光蛋白mNeonGreen和mRuby3的融合蛋白。Ace-mNeon和VARNAM在电压去极化事件（如动作电位）中表现出荧光下降，并共同构成一对相互兼容的GEVI，可以在遗传上靶向两种不同的神经元类型，以同时进行双色电压记录。在一项新的研究中，利用蛋白工程和高通量电压筛选，他们发现了第二代GEVI：Ace-mNeon2和VARNAM2，它们具有更好的电压灵敏度。他们还发现了这两种第二代GEVI的反向反应-极性变体：pAce和pAceR，它们在动作电位期间表现出荧光增加。他们推断，这四种新的指示剂构成了一套相互兼容的工具，用于行为动物的多群体电压记录。当靶向不同的神经元类型时，这些指示剂可以根据它们的荧光光谱、光学尖峰极性或者这两种特性的结合，从电压读数中明确地识别细胞类型。相关研究结果发表在2022年11月4日的Science期刊上，论文标题为“Dual-polarity voltage imaging of the concurrent dynamics of multiple neuron types”。

这些作者改进后的指示剂表现出更高的电压灵敏度，能够在跑步的小鼠中以低功率（<25 mW mm-2）一次记录超过50个神经元，并在果蝇中连续成像约30分钟。来自约1200个神经元的Ace-mNeon2电压成像显示了清醒小鼠视觉皮层细胞类型对行为状态转换的特异性反应。在静止到唤醒的转变过程中，表达生长抑素（somatostatin, SST）的皮层中间神经元表现出最强烈的激活。此外，利用Ace-mNeon2和pAce的同时双极性电压记录，他们研究了成对的神经元类型的功能动态变化。他们揭示了表达SST的中间神经元和表达血管活性肠肽（vasoactive intestinal peptide, VIP）的中间神经元的电压动态变化中的时间变化和状态依赖性的相互拮抗作用。

对跑步小鼠两种神经元同时电压动态变化进行双极性成像。图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abm8797。

在小鼠海马体中，双极性电压成像揭示了不同细胞类别对局部场电位（local field potential, LFP）的不同贡献。内嗅皮层投射神经元（而不是表达SST的中间神经元）的尖峰始终与局部场电位保持相位锁定。此外，通过使用双色电压成像，这些作者发现前扣带回皮层（anterior cingulate cortex, ACC）投射神经元和内嗅皮层投射神经元的兴奋性神经元亚型对状态变化的反应不同；前者均匀地增加它们的放电速率，而后者则没有。

最后，通使用这套工具中三种相互兼容的传感器结合双极性、双色成像，这些作者提取了三种神经元亚型的同步实时电压动态变化。这些神经元亚型属于跑步小鼠视觉皮层和海马体中的兴奋性神经元和抑制性神经元亚群。

综上所述，这项新的研究揭示了行为状态改变时视觉皮层回路中目标神经元类型之间的功能相关性，以及不同细胞亚型对跑步小鼠海马体局部场电位的贡献。总之，这些研究结果为调查行为动物中多种细胞类别的协同动态变化提供了多群体电压成像的基准。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Madhuvanthi Kannan et al. Dual-polarity voltage imaging of the concurrent dynamics of multiple neuron types, Science, 2022, doi:10.1126/science.abm8797.