科学家们还发展最快的钙指标为神经成像

新的超高速Janelia开发的传感器可以检测钙离子几乎快从神经元释放,允许科学家梳理个人,milliseconds-long脑细胞之间传递信号。

基因编码钙指标称为GCaMPs用于跟踪大量的神经元的活动揭示了生活的动物钙离子发布的神经元之间的信号传递。当他们感觉钙,GCaMP指标导致神经元产生绿色荧光,允许科学家们看到哪些神经元和突触被激活在活体动物,因为他们执行任务。

GCaMP指标变得更明亮、更敏感,因为他们首先发展了20多年前。但即使是最先进的钙传感器没有足够快的梳理出个人特定神经元被激活的信号。让科学家能够跟踪只有组神经元和大脑的区域。

现在,Janelia研究者已经创建了一些新版本的GCaMP传感器,可以捕获神经元信号几乎一样快。新jGCaMP8传感器,比先前的GCaMPs几乎是常人速度的10倍,是详细的在3月15日发表的一项研究自然。

jGCaMP8指标的超快的速度,连同他们的灵敏度高,意味着科学家现在可以解决个人来自特定神经元的信号,使研究人员能够更好地理解大脑信号进行皮瓣翅膀飞行时,一只老鼠抽搐胡须,或一条鱼摇摆它的鳍。

“这是一个新政权功能成像,这些时间表,”罗兰Looger说前Janelia组长现为加州大学的霍华德·休斯医学研究所的研究员,圣地亚哥。“现在你可以开始问的问题真的是在螺母和螺栓的神经计算。”

在GCaMPs底漆

Janelia自2006年以来,科学家们一直致力于优化GCaMP传感器由Looger,精灵项目团队,和亲密的合作者与不同的生物模型,包括前组长卡雷尔Svoboda,高级组长和主管机械认知神经科学Vivek Jayaraman组长格伦•特纳和高级组长米。项目产生更明亮、更敏感的指标,被认为是最好的方法之一,大量的神经元同时在活的动物形象,根据Looger。

但尽管GCaMP指标改善在许多方面多年来,他们没有得到更快。而神经元之间的信号传递的速度2毫秒,GCaMP指标会产生一个信号开始后约50毫秒和持久的约600毫秒。科学家们能够看到,一群神经元被激活,但是他们不能梳理个人峰值信号。

Janelia研究者和其他球队试图让更快GCaMP指标,但增加速度的敏感性和亮度。然后,六年前,Looger Janelia资深科学家燕张决定再试一次。

做一个快GCaMP

团队开始通过观察GCaMP专业结构的指标。部分绑定到包含钙蛋白钙调蛋白和肽,RS20。一旦绑定到钙、钙调蛋白和RS20交互产生蛋白质形状的改变导致连接的绿色荧光蛋白,或GFP荧光更明亮。

钙调蛋白和肽之间的交互控制GCaMP的速度传感器。通过改变RS20到另一个肽,研究小组认为他们可以加快指标。他们尝试了30种不同肽,发现一个加速GCaMP信号没有失去太多的敏感性。

接下来,团队试图提高灵敏度,将蛋白质复合体的其他部分,称为“连接器”和“界面”。They worked with the GENIE Project Team to test 1,000 different mutations in cultured neurons. Finally, after four years, they had an ultra-fast指示器这是比先前的GCaMPs更敏感。他们发布的初始jGCaMP8传感器,和三个变异为不同的应用程序,在2020年。

“前面GCaMPs捕捉整个神经元信号过于缓慢,”张表示,新论文的主要作者。“jGCaMP8荧光信号的上升时间快得多一些应用程序甚至2-millisecond half-rise时间。”Due to the improved speed, she notes, the sensor follows the change in calcium concentration more precisely. "Contrary to previous attempts of speeding up GCaMPs, which compromised sensitivity, the new jGCaMP8 can produce even higher sensitivity, as it captures much more of the calcium signal during neuronal activities."

jGCaMP8传感器灵敏度和速度的增加将使研究人员能够执行实验之前他们不能做,说Marton Rozsa,神经学家艾伦研究所和新论文的主要作者。先前的传感器只允许研究人员看到的活动记录神经元的数量,但jGCaMP8使他们能够精确地检测单个个体神经元的动作电位。

“我们想理解大脑如何处理信息,如果我们没有记录的所有信息存在于大脑,然后我们将构建一个错误的模型,“Rozsa说。“我们得到的更多的信息,我们可以建立更好的模型,这个传感器是推动我们朝着这个方向。”

Looger认为发展jGCaMP8只可能发生在像Janelia研究机构,实验室有共享资源的支持和项目团队的主题专家实验室致力于特定的模型生物的重大项目,需要时间,资源,和专业知识从许多不同的人。

“如果一个实验室试图自己去做,这将是不可能的,但即使是可能的,它将采取五倍长和成本的五倍,”他说。“这确实像Janelia某个地方。”