Cell：新方法能够对大脑皮层深处单个细胞的快速大脑活动进行持久成像

当你在阅读这些文字时，你大脑的某些区域正显示出一连串毫秒级的快速电活动。可视化观察和测量这种电活动对于了解大脑如何使我们看到、移动、表现或阅读这些文字至关重要。然而，技术上的限制正在延迟神经科学家们实现他们的目标，即改善对大脑如何发挥作用的理解。

在一项新的研究中，来自美国贝勒医学院、莱斯大学、斯坦福大学、法国巴黎高等师范学院生物研究所和德国图宾根大学等研究机构的研究人员报告了一种新的传感器，它允许神经科学家们在不遗漏信号的情况下对大脑活动进行成像，而且成像比以前更深入大脑、成像时间比以前要长。这项研究为在清醒、活跃的动物的大脑在健康时和患有神经系统疾病时如何运作的新发现铺平了道路。相关研究结果于2022年8月18日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Sustained deep-tissue voltage recording using a fast indicator evolved for two-photon microscopy”。

神经科学的最高目标

论文通讯作者、贝勒医学院神经科学助理教授François St-Pierre博士说，“大脑的电活动不仅非常快，而且还涉及多种在大脑计算中具有不同作用的细胞类型。如何无创地观察动物进行活动时特定细胞类型的单个神经元的毫秒级快速电活动，这一直是个挑战。能够做到这一点一直是神经成像的最高目标。”

有现有的技术来测量大脑中的电活动。St-Pierre说，“例如，电极可以记录非常快的电活动，但它们不能告诉人们它们在监听什么类型的细胞。”

这些作者还在使用对与电活动相关的钙变化做出反应的荧光蛋白。这些荧光变化可以用双光子显微镜来跟踪。双光子显微镜是神经科学中无创深层组织成像的标准方法。“这类传感器非常好地确定哪些神经元是活跃的，哪些是不活跃的。然而，它们非常缓慢。它们间接地测量电压变化，从而错过了很多关键信号。”

St-Pierre和他的同事们的目标是结合这些方法的优点---开发一种能够监测特定细胞类型活动的传感器，同时捕捉快速的大脑信号。St-Pierre说，“我们用新一代的工程化荧光蛋白实现了这一目标，这种工程化荧光蛋白被称为基因编码电压指示剂（genetically-encoded voltage indicator, GEVI）。”

图片来自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.07.013。

论文共同第一作者---Zhuohe (Harry) Liu、Xiaoyu (Helen) Lu和Yueyang (Eric) Gou---创建并使用了一种自动化系统，该系统为双光子显微镜提供了一种更好、更有效的改造和优化荧光电压指示剂的方法。Liu说，“利用这种系统，我们测试了数以千计的指示剂变体，并确定了JEDI-2P，它比之前的指示剂版本更快、更亮、更敏感和更加光稳定。”

Lu说，“利用JEDI-2P，我们解决了以前方法的三个重要缺点。首先，它允许我们跟踪活动物的电活动长达 40 分钟，而不是最多几分钟。第二，我们可以以大约一毫秒的时间分辨率对电活动的峰进行成像，第三，我们可以对大脑中更深处的单个细胞进行成像，因为我们的指示剂是明亮的，并对大脑活动产生较大的信号。”

St-Pierre说，在此之前，科学家们仅限于观察大脑的表面，“但是大部分的大脑活动显然不限于大脑表面以下的前50微米”。Gou说，“我们的方法使人们首次能够非侵入性地监测大脑皮层深处的电压信号。”

论文共同作者、贝勒医学院神经科学教授Andreas Tolias博士和神经科学助理教授Jacob Reimer博士证实了JEDI-2P可以使用许多神经成像实验室中的成像设备报告小鼠体内的电活动。论文共同作者、巴黎高等师范学院生物研究所的Stéphane Dieudonné通过用一种叫做ULoVE的快速显微镜方法监测JEDI-2P的荧光，展示了对小鼠脑电信号的深度和超高速检测。

论文共同作者Katrin Franke博士（德国图宾根大学）和Tom Clandinin博士（斯坦福大学）的实验室分别展示了JEDI-2P如何也可以应用于视网膜和果蝇中的电活动成像。总之，这一国际合作努力表明，这种新技术可以很容易地用于研究不同动物模型和使用多种显微镜技术的神经科学小组所采用。

St-Pierre说，“2014年，我在神经科学学会会议上做了一次关于这种指示剂的第一个版本的演讲，人们都咬牙切齿。他们通常认为用荧光指示剂进行快速电压成像在清醒的动物身上是永远不可能的，因为对毫秒级的活动进行成像是巨大的技术挑战。八年后，我们已经实现了这个目标。而且这种指示剂仍有改善的空间----它不会是最后一个JEDI指示剂！”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Zhuohe Liu et al. Sustained deep-tissue voltage recording using a fast indicator evolved for two-photon microscopy. Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.07.013.