使用荧光探针点亮大脑细胞电活动时,麻省理工大学和波士顿大学的研究人员发现,他们可以想象许多神经元的活动,在老鼠的大脑。
这种技术,可以使用一个简单的光学显微镜,可以让神经科学家想象活动大脑内的电路和链接他们特定的行为,爱德华Boyden说y Eva谭教授在脑科学和生物工程教授,麻省理工学院大脑与认知科学系。
“如果你想学习行为,或一种疾病,需要图像数量的神经元的活动,因为他们一起工作在一个网络,“Boyden说,同时也是麻省理工学院麦戈文脑研究所,媒体实验室,科赫研究所综合癌症研究。
使用这个voltage-sensing分子,研究人员表明,他们可以从更多的神经元电活动记录比与任何现有的可能完全基因编码,荧光电压探针。
Boyden韩雪,波士顿大学生物医学工程副教授,高级的作者这项研究发表在10月9日的在线版自然。论文的主要作者是麻省理工学院博士后Kiryl Piatkevich,但是研究生Seth Bensussen,布鲁里溃疡研究科学家华安曾。
看到连接
使用快速电脉冲神经元计算,这是我们的思想,行为,和对世界的看法。传统方法测量这电活动需要将电极插入大脑,这一过程是劳动密集型的,通常允许研究人员记录一次只有一个神经元。多级阵列允许监视许多神经元的电活动,但他们不样本人口足以让所有的神经元在给定体积。钙成像允许这样密集采样,但措施钙、神经电活动的间接和减缓措施。
2018年,Boyden的团队开发了一个替代方法监控通过荧光探针标记神经元的电活动。利用一种被称为技术指导蛋白质进化,他的团队设计了一个分子称为Archon1可以基因插入到神经元,它成为嵌入细胞膜。当一个神经元的电活动增加,分子变得光明,这可以看到荧光标准光学显微镜。
在2018年的论文,Boyden和他的同事们发现,他们可以利用分子成像的大脑电活动的透明的蠕虫和斑马鱼胚胎,也在老鼠大脑切片。在新的研究中,他们想试着在生活中使用它,醒着的老鼠,因为他们从事某一特定行为。
要做到这一点,研究人员必须修改探测器,这样它会去次区域神经元的膜。他们发现,当分子插入本身在整个细胞膜,由此产生的图像是模糊的,因为从神经元的轴突和树突也发出荧光。克服,研究者附加一个小肽,导游专门调查膜的神经元的细胞体。他们称这个蛋白质SomArchon修改。
“SomArchon中,您可以看到每一个细胞作为一种独特的领域,”鲍登说。”,而不是在一个细胞的光模糊所有邻国之后,每个细胞都可以大声说话本身,显然,受邻国。”
研究人员利用这个探针图像活动在大脑纹状体的一部分,参与规划运动,当老鼠跑上一个球。他们能够同时监测多个神经元的活动和每一个相关的活动与小鼠的运动。一些神经元的活动上去当老鼠跑,有些下降,和其他人没有显示出明显的变化。
“多年来,我的实验室已经尝试了许多不同版本的电压传感器,和没有人曾在生活哺乳动物的大脑,直到这个,”汉说。
使用这种荧光探针,研究人员能够获得通过电子探针测量与记录,可接活动在一个非常快速的时间表。这使得测量结果比现有的信息技术,如成像钙,神经学家经常使用作为电活动的代理。
“我们想要记录电活动在毫秒时间尺度,“汉说。“时间尺度和活动模式,我们从钙成像是非常不同的。我们真的不知道如何这些钙变化是电动力学有关。”
用新的电压传感器,还可以测量非常小的波动在神经元活动发生,即使不是解雇飙升。这可能有助于神经科学家研究小波动如何影响神经元的整体行为,曾被生活的非常困难的大脑,汉说。
研究引入了一个新的和强大的遗传工具成像电压清醒小鼠的大脑中,亚当科恩说,化学教授在哈佛大学化学生物学和物理学。
”以前,研究人员必须刺穿神经元与细玻璃毛细管电录音,这是只能记录一个或两个细胞。从大约10细胞Boyden团队记录。这是很多细胞,”科恩说,他没有参与这项研究。“这些工具打开新的可能性研究统计结构的神经活动。但是老鼠的大脑含有大约7500万个神经元,所以我们仍有很长的路要走。”
映射电路
研究还表明,这种成像技术可以结合光遗传学——技术开发的Boyden实验室和合作者,允许研究人员打开和关闭神经元与光通过工程表达光敏蛋白质。在这种情况下,研究人员激活某些神经元与光,然后测量这些神经元的电活动。
这种成像技术也可以结合扩张显微镜Boyden的实验室开发的技术,扩大脑组织在成像之前,让它更容易在高分辨率看到神经元之间的解剖关系。
“我的梦想的实验之一是图像中的所有活动大脑,然后使用扩张显微镜发现这些神经元之间的连接,”鲍登说。“那么我们可以预测神经计算的线路。”
这样的布线图,能让研究人员确定电路异常背后的大脑疾病,还能帮助研究人员设计更紧密地模仿人类大脑的人工智能,Boyden说。
麻省理工学院的部分研究是由爱德华和凯Poitras,美国国立卫生研究院,包括主任先驱奖,查尔斯•Hieken约翰·杜尔,美国国家科学基金会,HHMI-Simons教师学者计划,人类前沿科学计划,和美国陆军研究办公室。
