用荧光生物传感器照亮神经肽的实时大脑动态
神经肽在调节大脑内的细胞和电路功能中起着重要作用。其中一种信号分子——食欲素——调节觉醒和清醒，它的失效会导致白天持续的嗜睡(嗜睡症)。苏黎世大学的研究人员现在开发了一种荧光促食素生物传感器，可以观察这种分子在活老鼠大脑中的“活性”。
在大脑中，数十亿神经细胞协同行动，协调机体的基本功能和高级功能。它们使用一种特殊的语言相互交流:被称为神经肽或神经递质的分子。这种信号分子系统的一个例子是食欲素。正常情况下，它调节觉醒、清醒、动机和食欲。在人类和动物中，促食素神经肽的释放或感知缺陷会导致一种叫做嗜睡症的疾病。受影响的人会在白天嗜睡，并经常表现出昏睡状态，在这种状态下，他们保持意识，但无法控制身体运动，导致某种瘫痪。
揭示了老鼠大脑的内部运作方式
苏黎世大学(UZH)药理学和毒理学研究所的Tommaso Patriarchi和他的团队现在开发了一种基因编码生物传感器，其荧光特性使他们能够在活老鼠的大脑中以高分辨率“实时”研究促食素的作用和释放机制。“这个特别的神经肽系统和它在嗜睡症中对人类大脑功能的巨大改变，使我们更详细地研究了食欲素，”帕特里archi说。
这种名为“OxLight1”的新型促食素生物传感器是基于一种特殊设计的绿色荧光蛋白整合到人类食欲素受体中。“用荧光蛋白标记受体，使它在显微镜下可见。当神经肽与受体结合时，它会使受体发光，”Patriarchi补充道。因此，OxLight1实际上提供了对活的动物如老鼠的促食素释放的实时观察。
揭示了健康大脑功能之前不为人知的方面
“要了解像食欲素这样的神经肽系统是如何发挥作用来维持健康的大脑功能的，我们首先需要能够观察这些神经肽所携带的信息，然后学习如何解释它们，”Patriarchi说。到目前为止，由于缺乏能够提供高空间和时间分辨率读数的工具，这实际上是不可能的。因此，研究人员使用他们新的生物传感器来调查两者之间的关系神经活动以及在活体动物中神经肽的释放，这是神经生理学中最紧迫和长期寻求的问题之一，直到现在仍然难以捉摸。
他们发现，促食欲素的释放水平与神经元激活的频率和持续时间有关。“OxLight1灵敏的灵敏度和速度让我们能够追踪与自然行为相关的内源性食欲素释放，如自发跑步或急性压力，”Patriarchi说。结果，他们能够证明，在活着的大脑中，食欲素信号可以以相对短暂的“阶段性”释放的形式出现。
研究嗜睡症的神经疾病机制
然后，研究小组调查了睡眠/觉醒过程中食欲素的动态变化。通过结合食欲素动态的光度成像和神经元活动记录来对动物的睡眠状态进行评分，研究人员首次观察到，在小鼠的快速眼动睡眠期间，食欲素水平迅速下降。与意大利技术研究所(Istituto Italiano di Tecnologia)的双光子显微镜专家进一步合作，揭示了另一个迄今为止未知的过程:在从麻醉中醒来时，体感皮层中发生的空间局部食欲素波动。后一项合作工作是在最近授予的欧洲项目“更深”的框架内进行的。
“解密后促食素我们现在正在使用OxLight1来研究嗜睡症和上瘾等脑部疾病的机制，”Tommaso Patriarchi说。这项研究是Tommaso Patriarchi在2020年获得ERC启动拨款的一个项目的第一个成果。他的团队开发的生物传感器现在正被用于调查大脑在世界各地的实验室中发挥作用。通过继续扩大他们的神经技术工具箱，研究人员还旨在为药物开发建立下一代筛选分析方法。
