新型成像法可目擊神經元工作過程

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【新唐人北京時間2019年10月22日訊】麻省理工學院的一項新研究只需用簡單的光學顯微鏡,即可一次性目擊老鼠腦部多個神經元的工作情況,研究它們與特定行為之間的聯繫。這項成果對研究生物體大腦活動、行為控制,以及神經系統疾病起到重要作用。

傳統電壓感應法

以前,科學家通常是通過向大腦插入電極、測量電流的方法觀察腦部活動。這種方法工作量大,而且一次只能監測一個神經元。之後改善使用多電極陣列,但是又不能對指定區域抽樣足夠數量的神經元。還有的方法使用鈣成像方式,可以實現局部密集抽樣,可是由於測量的是鈣元素,這是間接且緩慢的監測神經電波活動的方法。

基因編輯嵌入熒光分子

MIT的研究組在2018年的一項研究中,發明了熒光探測法:將一種名為Archon1的分子通過基因編輯的方式嵌入神經元的細胞膜。當神經元電流活動增強的時候,這些分子亮度增加,於是這些神經元猶如被「點亮」,研究人員通過簡單的光學顯微鏡就能看到它們。

2018年的研究觀察的是老鼠大腦的切片樣本;在今年的新研究中,該研究組直接觀測活體老鼠大腦的神經元工作情況。

加入肽更好地定向熒光分子

研究者還發現,去年的研究加入的分子散佈在整個細胞膜的表面,使得神經元附近的軸突和樹狀枝叉結構也被點亮,導致成像比較模糊。新研究中,他們加入了一種肽,起到把熒光分子引導至神經元細胞體的表膜上。他們把改進版的蛋白分子稱為SomArchon。

主要研究者MIT的神經學教授博伊登(Edward Boyden)說:「有了SomArchon,你能看到每個細胞就像一個獨立的個體,而不是看到一個細胞和周圍的結構都模糊在一起的情形。」

研究人員用這種新方法監測老鼠在玩滾球的時候大腦神經元的活動情況,能夠同時監測與此行為相關的多個神經元,看到在老鼠跑動的時候,一些神經元變亮,一些變暗,另一些沒有變化。

另一位研究者說:「在多年的研究中,我的實驗室嘗試了多種電壓感應器的方法,沒有一個能像這個方法一樣觀測到活體的哺乳動物大腦的情況。」

沒有參與這份研究的同行、哈佛大學的生物學、物理學教授科恩(Adam Cohen)說:「以前,研究人員一次只能記錄一兩個細胞的情況,博伊登的團隊可以同時記錄10個細胞。這樣的技術為神經元活動統計學研究打開了新的大門。但是,老鼠的大腦約有7500萬個神經元,因此我們還差得很遠。」

與其它技術的結合

此外,這項研究還把這一技術和光遺傳學(optogenetics)、擴展顯微鏡分別結合,創造了更多樣的觀測效果。

光遺傳學是通過編輯基因表達光敏感度的技術,與之結合,研究人員能用光線激活特定神經元,觀察其電流變化。

擴展顯微鏡技術是在成像之前,將大腦組織擴大,這樣在高分辨率下,更容易看到神經元之間的聯繫。

──轉自《大紀元》

(責任編輯:葉萍)

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