火的新荧光蛋白永久标记神经元
霍华德休斯医学研究所的一个新工具开发(霍华德·休斯医学研究所的)Janelia研究校园让科学家一束光照耀在动物的大脑永久标记神经元的活动在一个特定的时间。工具——一个叫金巴利的荧光蛋白,是开发Janelia——将从绿色到红色当钙洪水后神经细胞细胞火灾。永久标记释放的科学家需要显微镜聚焦在正确的时间正确的细胞观察神经元的活动。
Calcium-sensitive被称为GCaMP发出的荧光分子的荧光信号表明神经活动,和可用于神经网络的动力学。但是他们的信号是暂时的,如果研究人员错过它,因为显微镜不是集中在大脑中的正确位置,信息丢失。在金巴利,科学家可以想象神经活动超出了显微镜的视野有限,捕获快照在宽范围的脑组织的神经活动。新工具还允许科学家想象的神经活动在更复杂的行为比以前钙指标,因为在许多情况下,可以使用动物自由行动,而不是局限于一道菜或嵌入在琼脂。
“最支持的这项技术可能是你不需要生物显微镜下在你的实验中,”罗兰说Looger,组长和蛋白质化学家Janelia工程师工具来研究大脑。“所以我们现在可以想象的神经活动苍蝇幼虫爬在一盘或一盘鱼在游泳。”
Looger埃里克•Schreiter金巴利和他们的同事报告和标签的能力活跃在果蝇的神经回路,斑马鱼和小鼠在《华尔街日报》科学。
资深科学家Schreiter Looger的实验室,导致金巴利的发展,作为Janelia基因编码的一部分神经元指示器和效应(精灵)项目团队。精灵是一个跨学科的团队,致力于工程荧光传感器,便于成像在生物神经元的活动。项目团队就像小型初创公司在Janelia和解决生物学问题,需要创建跨多个实验室合作。
金巴利,团队开始与一个叫Eos的荧光蛋白。Eos发出绿色荧光,直到接触到紫光,永久地改变了蛋白质,遇红色。“这是完美的起点,”Schreiter说。“转换从绿色到红色给了我们一个永久的信号。所以我们就需要一种方法来转换到活动的细胞。”To do that, the scientists incorporated a calcium-sensitive protein known as calmodulin, which makes the color change dependent on the burst of calcium that accompanies neural activity. It's the same domain that scientists added to fluorescent proteins to make calcium-responsive GCaMP sensors.
找到一个有用的蛋白质,开关其荧光的颜色只有在存在的钙和激活紫光,研究者和筛选成千上万的微妙不同的蛋白质。“当我们终于photoconverted更多的钙比没有它,我们知道我们有一个工具。我们只需要把它做得更好,另一个神经学家可以坐下来,使用它,”第一作者本Fosque说研究生生物化学和分子生物物理学计划在芝加哥大学。
团队花了一年多的调整他们的蛋白质,使其亮度和更具响应性的细胞内钙和确保它将工作生活的老鼠,果蝇和斑马鱼。最后,他们有一个工具,名叫金巴利,即calcium-modulated photoactivatable比率计积分器。
需要使用紫光的蛋白质的荧光转换让实验者控制神经活动时期被跟踪。“理想情况下,我们可以按下电灯开关在一个动物正在做我们关心的行为,然后翻转关掉一旦动物停止做的行为,“Schreiter解释道。“然后我们捕获的快照只发生在动物的活动的行为。”
科学家们进行了一系列的实验来证明金巴利的有效性。在一组实验中,他们抓住一个神经元活动的快照整个脑容量的斑马鱼在十秒内游在培养皿中。实验后,金巴利是红色在运动神经元参与游泳、以及其他预期的神经元——符合观察其他科学家在电生理学实验。激活模式改变明显当研究者改变了水的温度或动荡。
在果蝇中,研究小组使用金巴利来确定神经元被激活来响应特定的气味。像预期的那样,观察是基于先前的实验:金巴利表示,不同的气味激活截然不同的神经元在苍蝇的触角叶。在后续的实验中,研究人员通过实验直接激活神经元对气味的反应,然后寻找神经元在大脑随后变红了。这些实验显示神经元Schreiter说可能二次,三次,甚至四元组件嗅觉电路。跟踪电路从一个神经元,下一个是困难的在显微镜下,科学家们说,因为细胞预测和他们联系其他细胞通常超出仪器的视野。
与持续发展,科学家们预计金巴利的未来版本将比当前更敏感和可靠的工具。但是Looger说重要的是要得到金巴利的神经科学家。“这个想法可能是更强大的工具,因为它代表现在,”他说。“我们肯定会受益于几百一千年——希望——实验室带着金巴利,看到他们能做什么。”
为此,团队使得基因质粒编码金巴利可以通过质粒库Addgene;转基因果蝇表达金巴利可通过布鲁明顿果蝇库存中心;和Janelia组长米正在分发CaMPARI-expressing斑马鱼研究人员。工具将金巴利引入老鼠细胞应该可以很快,科学家们说。
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出版
背面Fosque, y太阳,h·达纳C.-T。核磁共振Tadross以杨,t .高手r·帕特尔·m·Zlatic科学博士Kim M.B.阿伦斯诉Jayaraman L.L. Looger,雌激素受体Schreiter。标签的体内活跃的神经回路设计钙集成商。科学,2015年2月13日发表。doi: 10.1126 / science.1260922
