针对钙指标给出一个精确的大脑活动

当神经元火一个电脉冲时,他们也体验的钙离子。通过测量这些激增,研究人员可以间接监测神经元活动,帮助他们研究单个神经元的作用在许多不同的大脑功能。

这种方法的一个缺点是生成的相声从邻近的神经元的轴突和树突,这使得它很难得到一个独特的信号从神经元被研究。麻省理工学院的工程师们已经开发了一种方法来克服这个问题,通过建立钙指标,或传感器,只在一个神经元的身体积累。

“人们使用钙指标监测神经活动在大脑的许多地方,”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。“现在他们可以得到更好的结果,获得更准确的神经录音少污染的相声。”

为了实现这一点,研究人员融合常用钙指标称为GCaMP短肽,目标细胞。新的分子,研究人员称之为SomaGCaMP,可以很容易地纳入现有工作流钙成像技术,研究人员说。

Boyden是这项研究的资深作者,发表在神经元。该论文的主要作者研究科学家或示麦,博士后长阳Linghu和前博士后Kiryl Piatkevich。

分子的焦点

GCaMP钙指标由荧光蛋白与钙结合蛋白称为钙调蛋白,和calmodulin-binding叫做M13肽的蛋白质。GCaMP迅速膨胀时,大脑中与钙离子结合,允许研究人员间接测量神经元活动。

“钙很容易的形象,因为它从一个非常低的浓度时细胞内浓度很高一个神经元被激活时,“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。

最简单的方法来检测这些荧光信号与一种叫做一个光子显微镜的成像。这是一个相对廉价的技术,可以在高速图像大的大脑样本,但缺点是它拿起邻近的神经元之间的串扰。神经元GCaMP进入的所有部分,信号从一个神经元的轴突会显得好像来自一个邻居的胞体,使得信号不准确。

更贵的称为双光子显微镜的技术可以在一定程度上克服了聚焦光非常狭隘到单个神经元,但这种方法需要专门的设备,也慢。

Boyden的实验室决定采取一种新的方法,通过修改指标本身,而非成像设备。

“我们认为,而不是光聚焦光线,如果我们分子集中指标?”他说。“很多人使用硬件,如双光子显微镜,清理成像。我们试图建立一个分子与硬件版本的其他人做什么。”

在去年发表的相关论文,Boyden和他的同事们使用类似的方法来减少串扰之间的荧光探针直接图像神经元的膜电压。同时,他们决定尝试类似的方法与钙成像,这是一个更广泛使用的技术。

专门针对GCaMP神经元的细胞体,研究者试图融合GCaMP许多不同的蛋白质。他们探讨了两种类型的候选人——天然蛋白质积累在细胞体内,和设计的多肽,与麻省理工学院的生物学教授艾米·基廷,同时也是该论文的作者之一。这些卷曲螺旋蛋白质合成蛋白质,有一种独特的蛋白质的结构中多个螺旋线圈在一起。

更少的相声

研究人员筛选约30候选人在神经元生长在培养皿中,然后选择两个-一个人工卷曲螺旋和一个天然肽在动物身上测试。与米合作,研究斑马鱼Janelia研究校园,他们发现,两种蛋白质提供明显改善了GCaMP的原始版本。的信噪比,测量信号的强度与背景活动——上升,和相邻的神经元之间的活动显示减少的相关性。

在对老鼠的研究,表现在韩雪波士顿大学的实验室,研究人员还发现,新的指标降低邻近神经元的活动之间的相关性。额外的研究使用微型显微镜(称为microendoscope),在实验室中进行的凯方面的索尔克生物研究所揭示出显著增加信噪比与新指标。

“我们的新指标使信号更加准确。这表明人们的信号测量与普通GCaMP可能包括相声,”鲍登说。“artifactual同步的可能性之间的细胞。”

在所有的动物研究中,他们发现,人工,卷曲螺旋蛋白质产生一个光明比自然发生的信号肽,他们测试。Boyden说目前尚不清楚为什么卷曲螺旋蛋白质的工作很好,但是有一种可能性是,他们互相结合,使他们不太可能在细胞内旅行到很远的地方。

Boyden希望利用新的分子试图形象等小动物的整个大脑蠕虫和鱼,和他的实验室也使新指标可用于任何研究人员想要使用它们。

“这应该非常容易实现,事实上许多团体已经使用它,”鲍登说。“他们可以使用他们已经使用的常规显微镜钙成像,而是使用常规的GCaMP分子,他们可以用我们的新版本。”

参考

示麦等。(2020)。精密钙成像通过Cell-Body-Targeted人口密集的神经钙指标。神经元。DOI:https://doi.org/10.1016/j.neuron.2020.05.029

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