成像神经细胞功能:利用神经生理学

显微镜是一种科学最具标志性的符号,至少等于白大衣或冒泡霓虹灯液体的能力赋予科学可信度的电视观众的眼睛显示像大爆炸理论或CSI:迈阿密。然而,大多数人想象代表老派的显微镜显微镜而言,他们的技术和现代研究的影响。新学校,另一方面,采用激光和基因工程探测更深的进入细胞功能。

荧光显微法革命

在过去的30年中,光学显微镜一直不断创新的主题,极大地改变了显微镜的设计和功能,因此,他们在生物研究。在神经科学领域尤其如此,想象神经元的复杂和多样的类型和形状要求特定的标签和高分辨率成像。事实上,它是渴望视图神经元“布线”动机马文•明斯基在三维空间中推理和构建第一个共焦显微镜在六十年代。已经从老式的范式转变;共焦显微镜的使用窄光束而细致的照明在生物样品多次扫描。

参见:美丽的大脑图像

这集中照明,加上一个针孔孔径放置在前面的光子探测器使早期的共焦显微镜排除背景光平面外的原始兴趣,因此给予大量增加相比,允许更好的可视化的神经元。直到年代共焦显微镜看到科学界广泛采用。帮助替换的反射光与精确的激光照射生物样本,共焦显微镜获得进一步改善分辨率和轻松地获得所需的高强度照明荧光图像。

图1所示。抑制性中间神经元在小鼠大脑组织。细胞基因工程产生绿色荧光蛋白(GFP)。信贷:乔Shepphard

所有类型的荧光显微法的好处是,与传统的光学显微镜,荧光分子构成的图像可以针对特定细胞的特点突出,如质膜或核。因为这些是唯一的东西发出荧光的样品,我们可以看到它们,即使被荧光组织所包围。图1显示了抑制性中间神经元在小鼠大脑组织。这些细胞基因工程生产荧光分子绿色荧光蛋白(GFP)细胞,引起整个细胞发出绿色荧光。单个神经元的精细结构,如他们的轴突可以追溯到尽管被夹在组织。

共焦显微镜的结合与数码相机图像采集和发现荧光蛋白像“绿色荧光蛋白”(图1)将显微镜从定性到高度量化工具。GFP成为可能感染细胞的遗传物质产生荧光版本的一个特定的蛋白质和细胞内的跟踪他们去的地方。通过做同样的蛋白质,使神经元之间的通信,生物相容性荧光分子的发现铺平了道路工程传感器能够荧光只有当神经元相互通信。使它容易看出神经元是活跃的和当。

翻译神经元沟通

神经元之间的通信由一个电荷积累在神经元和快速遍历的一端细神经元的细胞过程,即其树突和轴突。这种快速运动的电荷被称为动作电位,当它到达突触终端触发化学信使的释放到突触间隙,小沟通细胞之间的连接。发布包的化学信使分子间隙需要一个钙离子的流入到突触终端。向内运动的钙离子可以被视为一种突触传递的确凿证据。

通过了解很多关于细胞力学两个动作电位的产生和突触传递科学家已经能够从自然已经修改蛋白质参与神经元沟通。做一些基因的调整,这些蛋白质可以被附加到荧光分子以这样一种方式,光只是发出神经元在当地的钙浓度的增加或改变他们的电荷将结果分别从突触传递或动作电位放电。

能够同时连接的多个图像电气和化学活性神经元是神经科学家的梦想,因为它允许他们链接形态学与功能研究神经网络。实现时,神经元的直接可视化通信将给予巨大的洞察这种网络如何应对刺激,处理信息,最终让我们想象我们的大脑如何工作。

基因编码钙指标(GECIs)已广泛使用在神经科学尤其是在研究感官系统。在一个典型的实验研究可以记录荧光脉冲的强度随着时间的推移,从单个突触测量突触传递。因此,允许,神经科学家观察神经元沟通碰巧,通过显微镜的镜头。

这样GECIs报告的强度和频率输出神经元突触,但什么也没告诉我们关于驾驶的神经元的活动与邻国在第一时间沟通。

得到一个完整的神经元突触输入和处理传入的回应,不信,需要电气组件的一个传感器,一个基因编码的电压指示器(GEVI)。

自1940年的黄金标准过程记录神经元的电活动是把电极放在大脑或附加单一神经元。这两种方法测量两组神经元的电活动相结合,靠近电极,或单个神经元的极其精确的电变化。情况都不是最佳的你要么概括集群神经元单一的“单位”或你试图理解整个大脑一个神经元,还有超过860亿人。GEVIs的潜力在于视觉神经元的电活动报告的能力允许研究人员辨别单个神经元的反应在一个活跃的神经元网络,所以想象他们的电气的谈话。由于他们发出荧光的能力即使在小细胞的膜电势的变化,因此报告突触电压变化,因此GEVIs输入喂养成一个神经元的指标。

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这使研究人员什么机会?

如果研究人员能工程师神经元产生GECI和GEVI同时他们能够看到哪些神经元突触刺激任何导致火灾,或多少的亚阈值输入从突触前神经元发射一个集成在动作电位。潜在的理解这个复杂的形式的神经计算是巨大的,开放的机会测试许多现有的理论对树突整合传入输入。

图2。卡马拉明星画猫的小脑浦肯野细胞的皮层,由圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔。传说:(a)轴突(b)抵押(c)树突。

理想场所执行这些类型的实验将在小脑浦肯野细胞(图2),指出他们的组织结构,这样,他们的树突都在同一平面上。这个结构促进·拉蒙-卡哈尔的画和他的“老派”显微镜和高尔基染色在我国19世纪经济建设。大环境入手

跟踪功能连通性的神经元就像马文,设想在60年代现在GEVI和GECI相结合可实现的技术。高吞吐量的映射功能连通性的大脑区域可以简单地通过刺激来实现单个神经元与电极和希望看到哪些突触神经元周围的光从GEVI荧光。这里的好处是突触沟通的成功可以通过寻找GECI神经元的轴突终端响应信号电极脉冲从而确定邻居有很强的突触连接。

灯光在地平线上

使用光相反电极的非侵入性、高通量和代表传统的电生理学的继承人。难怪那么开发新的GEVIs许多研究小组正在积极探索。这种竞争是必要的,作为当前GEVIs遭受几个缺点包括低荧光发射响应小电压变化和可怜的亚细胞定位。一旦GEVIs完善它仍将是一个挑战与足够的帧速率来捕获图像的多个神经元电活动的传播。克服这些挑战仍将有利于研究人员和GEVIs GECIs, light-activatable蛋白质相结合,将形成的工具箱Optophysiology的新兴领域。

来源:

进行更详细的观察GEVIs和GECIs在现代的应用研究:

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27075539

一篇论文使用GEVIs和GECIs研究视觉处理:

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27264607

最近的创新在显微镜的概述:

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22408015