麻省理工學院的神經科學家們使用一種在神經元的細胞體中積累的新的鈣指示劑(右圖中的盒子)，能夠更準確地描繪神經元的活動。傳統的鈣指示器(左邊的方框)會產生串擾，使影象模糊。
神經元中鈣成像的新分子減少鄰近神經元的串擾。
當神經元觸發電脈衝時，它們也會經歷鈣離子的激增。通過測量這些激增，研究人員可以間接監測神經元的活動，幫助他們研究單個神經元在許多不同大腦功能中的作用。
這種技術的乙個缺點是相鄰神經元的軸突和樹突會產生串擾，這使得從被研究的神經元那裡獲得獨特的訊號變得更加困難。麻省理工學院的工程師們現在已經開發出一種解決這個問題的方法，通過創造鈣指示器或感測器，這種感測器只能在神經元體內積累。
edward boyden是麻省理工學院神經技術教授、生物工程教授、大腦和認知科學教授。「現在他們可以得到更好的結果，獲得更準確的神經記錄，而串擾的程度也更少。」
為了達到這一目的，研究人員將一種常用的鈣指示劑gcamp與一種短肽結合在一起，使其靶向於細胞體。研究人員稱這種被稱為somagcamp的新分子可以很容易地融入現有的鈣成像工作流程中。
boyden是這項研究的資深作者，該研究發表在今天的《 neuron》雜誌上。**的主要作者是研究科學家shemesh、博士後 changyang linghu和博士後kiryl piatkevich。
分子聚焦
gcamp鈣指示劑由一種螢光蛋白和一種叫做m13肽的鈣蛋白結合蛋白組成。當gcamp與大腦中的鈣離子結合時，它會發出螢光，這使得研究人員可以間接地測量神經元的活動。
「鈣很容易成像，因為當神經元活躍時，它從細胞內非常低的濃度變成非常高的濃度，」boyden說，他也是麻省理工學院麥戈文腦研究所、**實驗室和科赫綜合癌症研究所的成員。
檢測這些螢光訊號最簡單的方法是使用一種稱為單光子顯微鏡的成像技術。這是一種相對便宜的技術，可以高速成像大的大腦樣本，但缺點是它可以捕捉相鄰神經元之間的串擾。gcamp可以進入乙個神經元的所有部分，所以來自乙個神經元的軸突的訊號可以看起來像是來自鄰近的細胞體，這使得訊號的準確性降低。
一種更昂貴的雙光子顯微鏡技術可以通過將光非常狹窄地聚焦在單個神經元上來部分克服這一問題，但這種方法需要專門的裝置，而且速度也較慢。
boyden的實驗室決定採用一種不同的方法，通過修改指示器本身，而不是成像裝置。
「我們想，與其用光學聚焦光，不如用分子聚焦指示劑呢?」他說。「很多人使用硬體，比如雙光子顯微鏡來清理成像。我們正試圖建立乙個分子版本。」
在去年發表的一篇相關**中，boyden和他的同事使用了類似的方法來減少螢光探針之間的串擾，螢光探針可以直接對神經元的膜電壓進行成像。與此同時，他們決定在鈣成像上嘗試類似的方法，鈣成像是一種應用更為廣泛的技術。
為了使gcamp只針對神經元的細胞體，研究人員嘗試將gcamp與許多不同的蛋白質融合。他們與麻省理工學院的生物學教授amy keating合作，探索了兩種候選的蛋白質，一種是已知可在細胞體內積累的天然蛋白質，另一種是人類設計的肽，amy keating也是這篇**的作者之一。這些合成蛋白質是盤繞蛋白質，它有乙個獨特的結構，在這個結構中蛋白質的多個螺旋纏繞在一起。
更少的串擾
研究人員在實驗室培養皿中培養的神經元中篩選了大約30個候選細胞，然後選擇了兩種——一種是人造線圈，另一種是天然產生的肽——在動物身上進行測試。與janelia研究中心研究斑馬魚的misha ahrens合作，他們發現這兩種蛋白質都比gcamp的原始版本有顯著的改善。訊雜比——一種衡量訊號強度與背景活動的指標——上公升，相鄰神經元之間的活動顯示出相關性降低。
在波士頓大學xue han的實驗室對老鼠進行的研究中，研究人員還發現，新的指標降低了鄰近神經元活動之間的相關性。在索爾克生物研究所kay tye的實驗室中，使用微型顯微鏡(稱為微型內窺鏡)進行的其他研究顯示，新指標顯著提高了訊雜比。
「我們的新指標使訊號更加準確。這表明人們用常規gcamp測量的訊號可能包括相聲，」boyden說。「細胞之間存在人工同步的可能性。」
在所有的動物實驗中，他們發現人造的捲曲蛋白比他們測試的天然肽產生更亮的訊號。boyden說，目前還不清楚捲曲蛋白的工作原理，但一種可能是它們相互結合，使它們不太可能在細胞內移動很遠。
boyden希望用這種新分子來成像蠕蟲和魚等小動物的整個大腦，他的實驗室也在向任何想要使用它們的研究人員提供新的指示器。
boyden說:「它應該很容易實現，事實上很多團隊已經在使用它了。」「他們可以使用已經用於鈣成像的常規顯微鏡，但不用常規的gcamp分子，他們可以替代我們的新版本。」
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