使用近红外光的神经传感器可以揭示动物模型深处的大脑活动

杜克大学(Duke University)和阿尔伯特·爱因斯坦医学院(Albert Einstein College of Medicine)的生物医学工程师、细胞生物学家和神经科学家开发出了一种在近红外光下工作的新型遗传编码神经生物传感器。

这项发明将使研究人员能够非侵入性地研究神经元如何在生活中更深层地放电脑同时观看氧气消耗。

该研究显示在2020年10月26日在期刊上自然生物技术。

“科学家们一直在努力工作了很长时间，我们是第一个完成它的人，”杜克生物医学工程助理教授俊杰尧说。“组织不会吸收或散布 -红外线几乎等于可见光，这允许光子渗透到大脑组织比目前的标准更深。“

神经科学的最重要目标是将复杂的行为联系起来，如制造和存储记忆的过程，激活各种神经元和整个大脑的结构。研究人员完成这项艰巨任务的方式之一是通过使用遗传编码钙指标,或GECIs。这些生物传感器携带荧光蛋白，当细胞中出现钙尖峰时，荧光蛋白就会变暗，钙尖峰发生在神经元放电时。

研究人员传统上使用送一个和双光子显微镜的这些生物传感器，发送光子光进入脑组织。然而，目前可用的生物传感器在可见光谱下工作，它不能穿透组织很深，否则会被吸收或散射。由此产生的混乱使研究人员无法看到超过半毫米的组织。

在这项新的研究中，解剖学教授和医学博士姚、弗拉迪斯拉夫·韦尔胡沙结构生物学他和加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)和西北大学(Northwestern University)的一组合作者找到了解决这个问题的方法。研究人员创造了一种钙指示剂，可以用近红外光成像，更容易穿透脑组织。由于近红外光不会干扰在可见光下工作的传统生物传感器，多种类型的生物传感器可以同时使用，而不必担心它们的光谱串扰。

“我们新的钙指标本质上就像森林里的鸟类，”姚说。“虽然鸟类通常会飞来飞去并发出噪音，但当捕食者在树林里时，它们就会安静下来。”你不需要特别看到捕食者就知道那里有危险，你只需要知道没有声音意味着那里有东西。与我们的指标类似，你不需要特别地看到神经元的放电，你只需要寻找信号:钙指标发出的光线变暗。”

Verkhusha说:“我希望近红外神经生物传感器将成为人类疾病动物模型和认知神经科学研究的基本分子工具，使我们能够可视化大脑中各种情绪和行为调节的机制。”“由于这些生物传感器在近红外范围内运行，它们可以通过使用微型头戴摄像机，通过行为动物的头骨进行非侵入式成像，使我们能够可视化大脑结构在特定活动中的运作。”

为了展示其在活体动物中新的钙指标的力量，姚明在公爵的小组用第二种成像技术配对，称为光声显微镜。由姚明开创，该技术允许研究人员将光和超声的性质结合起来创造高分辨率图像。

结合荧光和光声成像显示，通过老鼠完整的头骨同时监测神经元活动和大脑氧合是可能的。

姚说:“我们通过成像大脑的氧合和神经元同时放电，使我们拥有了强大的能力，这是支撑整个大脑功能结构的两个重要支柱。”“当氧气为大脑提供燃料时，神经元放电传递信息。”

姚、Verkhusha和他的团队很高兴能够与更广泛的神经科学领域分享这项新技术。随着研究的进展，他们希望继续改善钙指标和成像技术，这样他们就可以更深入地研究大脑。

“我们有可能使用近红外钙指标进行研究，例如，我们如何处理海马中的记忆或阿尔茨海默病如何破坏内存能力，”姚明说。“所有这些研究领域都可以受益于有一种方式来看待大脑深处，而且对于我们来说，天空是极限。”

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