荧光蛋白帮助探索大脑奥秘

光电人 · 发表于 2011-12-27 10:00:45

对上图中所示的神经元施加电压，会使荧光的亮度增强。

神经元之间的相互作用包括化学信号和电信号两方面。数十年以来，神经学家一直在寻找一个非侵入式方法，来测量电信号。如果找到这样一种方法，那么研究大脑如何运作以及神经疾病如何损害大脑功能就变得更为容易。

一个富有前景的方法就是，利用荧光来追踪神经元的电活动，因为荧光可以比较容易地通过遗传学或与相关抗体结合来整合进入细胞。但是荧光具有毒性，而且起效缓慢。上周，研究人员采用了一种新的候选荧光蛋白，该蛋白从死海的微生物中提取，它似乎可以更好地解决这些问题。

该蛋白叫做古细菌视紫红质3（archaerhodopsin-3），简称Arch。人们在10年前就发现了该蛋白，但是科学家到现在才开始意识到它作为一种研究工具的应用潜力。在去年发表的一项研究中，研究人员利用光来诱发Arch起电反应，来压制那些过于活跃的神经元。这种方法有望用来研究医治癫痫症和其他突然发作性疾病的新疗法。

在该研究中，研究人员采取相反的方法，利用电流来诱发Arch的荧光变化。这可以用来研发出记录大脑电信号的更精确的方法。

实验结果发表在《自然-方法学》（Nature Methods）上，并表明Arch可能是神经学家一直在寻找的非侵入型电压传感器：Arch对细胞无毒性，并且敏感度高、速度快，足以感受到与神经元活动相伴的快速电信号的变化。

美国哥伦比亚大学的一位神经科学家达西·皮特卡（Darcy Peterka）说：“这种方法比我所见过的其他任何光学成像方法都要先进几个数量级。”皮特卡并没有参与该项研究。

在细胞培养中，记录神经元电活动的标准方法需要向细胞中插入电极，该方法仍是测量细胞中单个位点电压的最精确的方法。然而，在神经元上穿孔插入电极，最终会杀死神经元。而Arch却使研究人员能够跟随追踪电信号在细胞中的传播，还可以多次重复记录相同细胞的电信号，让那些利用标准方法不可能做到的长期实验成为可能。

哈佛大学的一位生物物理学研究员、该项新研究的领导者亚当·科恩（Adam Cohen）说：“这取决于你在尝试回答什么样的科学问题。”

该研究是在培养的小鼠神经元细胞中进行的，但是，科恩及其同事打算利用Arch来测量活体动物中的神经元活动，先从简单的生物体开始着手，比如斑马鱼（zebrafish）和秀丽线虫（C. elegans）。利用这些动物的一个优势就是，它们的身体是透明的，很容易在显微镜下观察荧光信号。

Arch也可用于哺乳动物的大脑电信号成像，特别是用于小鼠实验，因为小鼠可以通过遗传改造在特定神经元中或在特定发育时间表达出Arch。

将该方法转而应用于动物的挑战就是，要确定荧光信号能够保持高强度和高持久性。麻省理工学院的一位研究员艾德·波伊登（Ed Boyden）说：“在活体动物的大脑中，光线会被吸收——比如被血液吸收——所以光线会损失。”波伊登领导了前述那项利用Arch压制神经元的实验。

而且，Arch发出的荧光并不如其他一些可用染料的发光那样亮，但是，它低毒性的优势使得研究人员无须担心这一点，因为可以通过提高Arch的浓度来补偿亮度弱的缺点。皮特卡说：“他们让Arch在小鼠神经元中的效果很理想，这是一个好兆头。”

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