照明新路径来理解大脑的“语言”

当美国总统巴拉克•奥巴马(Barack Obama)宣布1亿美元的神经科学以推进创新成员的大脑研究”(大脑)今年4月,《自然》杂志上称它为“一个大胆竞购神经科学家的终极挑战,“但指出,“如果研究人员理解的狂热电信号流向大脑的回路,同时他们需要记录从尽可能多的神经元,“能力大幅限制了可用的技术。

但是医学院的科学家已经取得了显著的进步向会议这一挑战插入荧光蛋白在神经元不同的发光强度反映细胞内电活动的变化。发表在8月8日的《细胞》杂志上,使用光学探测器,科学家可以精确测量电信号在复杂的神经回路在果蝇的生活。

“电信号的语言神经系统用来传输信息,”文森特·a·Pieribone说,博士,教授,细胞和分子生理学和神经生物学和新论文的作者之一。“现在我们可以看看这个电子光学和无创性的信息。”

实现终极目标的大脑”,更好地理解(人类)认为,如何学习,记住“和这些见解应用于神经和精神疾病,首先需要深入了解简单的神经systems-those蠕虫、果蝇、斑马鱼、小鼠,也选择电极,过去半个世纪的神经生理学的主要工具。记录电极”总是造成损害,拒绝了大脑,“Pieribone说,在生命系统有物理限制,限制数量和适当的放置电极。

最近,一些其他的研究报告也成功的光学测量神经活动在斑马¬鱼。但作者迈克尔·n·Nitabach博士,法学博士副教授的细胞和分子生理学和遗传学,说这些科学家所使用的方法,跟踪神经元的钙水平,只提供了一种间接测量的电活动,而耶鲁大学开发的工具提供一个精确的、直接测量。

Pieribone的专长是收集荧光蛋白自然发生,如在深海热带鱼。当神经元中表达所谓的基因编码的蛋白质荧光电压指示器(GEVIs),这些蛋白质可以作为视觉电活动的指标。工程gevis Pieribone和其他神经科学家已经在过去的15年里,但他们都是衣服当从细胞培养生活的动物的大脑。“没有人有足够的信号大小“天生我才必有用,Nitabach说还的教师联盟计划在细胞神经科学、神经退化和维修。

描述的GEVI细胞,称为电弧光,偶然的突变,“出现意外,就像神的干预,”Pieribone说。这种基因改变给电弧光强烈和敏感荧光信号直接反映了神经元的膜电压的表示:它变得黯淡随着电压的增加,电压降低时更亮。

基因工程的大脑发出响应电压的变化似乎自己创新不够,但Pieribone知道电弧光只会是有用的,如果它反映大脑活动以及记录电极,神经科学研究的金标准。为此,专家Pieribone与Nitabach合作果蝇果蝇的神经系统。

在筛选成百上千的荧光结构多年来,Pieribone惊呆了,他和Nitabach执行最初的实验。“我们第一次记录电弧光在果蝇中,我认为必须有毛病的痕迹,因为他们看起来太好了,”Pieribone说。“你很少得到这些惊喜的事情比想象的好。”

Nitabach和Pieribone决定表达弧光灯在一组特征明显的神经元和控制苍蝇的生物钟。在电极同步记录和光学成像的荧光神经元,它们表明,电弧光的结果与那些使用电线戳神经细胞一致。作为奖励,他们首次显示一些被怀疑在这个领域,但不证明,这些细胞更活跃的膜比在晚上在早上。“这不可能是任何其他方式记录,“Nitabach说。“这就像打开一个未知的领域。”

电弧光信号速度比钙探测器,还有微妙的电事件重要的神经处理钙基方法,甚至电极,完全小姐,Nitabach说。动作电位,神经元的莫尔斯电码视为飙升电压变化对录音,很重要,他说,但是非尖状信号传播沿着神经分支和神经元的突触输入不达到阈值生成一个动作电位每个组成一个鲜为人知但微积分基本神经的一部分。这些小的电压波动时未被发现感兴趣的信号的二进制的“spike-or-silence”神经元的胞体,仅仅一个神经元的一部分访问一个电极。

电弧光允许成像离散部分的神经元,理解这个隐藏的神经计算的关键。“大量的信息处理和电气集成发生在远端部分的细胞,你不能把电极放在“Nitabach说。“电弧光可以测量膜电压直接在这些难以进入的地方。“神经卷可以用光学成像研究与电极相比,也扩大了,因为光可以穿透深入脑组织而不会造成损害。

“看到大脑电活动的直接是一个长期以来的梦想,现在看来有形,“Gero a . Miesenbock说,医学博士中心主任,牛津大学的神经回路和行为前的细胞生物学副教授医学院。虽然在耶鲁,Miesenbock首创光遗传学,使用光通过基因编码的感光组件神经元控制行为。Nitabach, Pieribone和他的同事们所做的是光遗传学的另一面,使用光,或荧光可视化神经活动,Miesenbock称之为“一个重要的里程碑。“虽然电弧光是目前可用的最有利的GEVI, Miesenbock说,一个巨大的挑战仍在改善光学仪器更好的本地化的神经信号在空间和时间。

Pieribone设想光遗传学的两条线一起,将允许同时光学控制和记录的神经系统。这与大脑的终极目标相吻合倡议,创建一个完整的大脑的线路图。“现在我们有很多快照,但我们不知道神经系统如何处理事情从开始到结束,“Pieribone说。了解整个循环,从感知到行动,在苍蝇、蠕虫是必需的同样的问题甚至可以提出对人类的大脑。

进步在这方面现在应该大大加快,电弧光飞已经分发到许多实验室和基因构建在线免费。Pieribone和劳伦斯·b·科恩博士,细胞和分子生理学教授正准备释放结果在老鼠大脑中使用电弧光。“电弧光的突变是一个很大的打击,“Pieribone说。“我觉得这是一场革命的方式我们研究大脑。”