熒光神經元使科學家能夠實時觀察大腦活動。

“我們開始思考‘如果我們能夠從內部照亮大腦會怎麼樣？’”布朗大學腦科學教授克里斯托弗·摩爾說。 “照射在大腦上的光用於測量活動。這通常會經歷一個稱為熒光的過程。或者驅動細胞中的活動以測試細胞所扮演的角色。但是在大腦上使用激光作為實驗也有缺點。這通常需要精美的硬件，並且成功率較低。我們認為可以使用生物發光來代替。”

創建生物發光中心

這一想法幫助布朗大學卡尼腦科學研究所於 2017 年啟動了生物發光中心，並得到了國家科學基金會核心資助的支持，合作者包括 Moore（卡尼研究所副所長）、Diane Lipscombe（研究所所長）、Ute Hochgeschwender（中密歇根大學）和 Nathan Shaner（加州大學聖地亞哥分校）。

該團隊致力於創建和共享新的神經科學工具。通過讓神經系統中的細胞產生光並對其做出反應。

用於觀察熒光神經元的新工具

在發表於的一項研究中 自然方法研究人員描述了他們開發的一種新的熒光成像工具。一種稱為 Ca2+ 生物發光活動監視器（簡稱“CaBLAM”）的活動跟踪器可以記錄單個細胞甚至小細胞區域內的活動。高速時它對大鼠和斑馬魚有效。支持長時間錄製，不需要外部光源。

Moore 表示，加州大學聖地亞哥分校神經科學和藥理學副教授 Shaner 是 CaBLAM 分子設備的首席設計師。 “CaBLAM 是一種非常了不起的分子。由 Nathan 創建，”摩爾說。 “它名副其實。”

為什麼測量大腦活動很重要？

摩爾解釋說，追踪活體腦細胞的活動對於理解生物如何運作至關重要。如今，最常見的方法依賴於基因編碼的熒光鈣離子指示劑。

“在熒光物質的工作方法中，你將向某物照射一束光。然後你會得到不同波長的光束，”發光中心主任摩爾說。 “你可以使這個過程對鈣敏感。這樣你就可以獲得以不同方式改變光量或顏色的蛋白質。這取決於鈣是否存在。並發出明亮的信號。”

儘管熒光技術被廣泛使用，但摩爾表示這些技術存在重大缺陷。長時間暴露在高強度的外界光下會損害腦細胞。隨著時間的推移，照明也會改變熒光分子本身。因此，它們不再能夠發出足夠的光。一個稱為光漂白的問題。此外，向大腦發送光需要激光器和光纖等設備。這使得實驗更具侵入性。

為什么生物發光具有如此明顯的優勢？

生物發光成像的工作原理有所不同。當酶分解小分子時就會產生光。這意味著不需要明亮的環境光。因此，不存在光漂白和光損傷。這使得該方法對於脆弱的腦組織來說更安全。

它還提供了更清晰的圖像。

“腦組織會發出微弱的光芒。當暴露在外界光線下時，它會產生背景噪音，”沙納說。腦組織也會散射光。使入射光和返回的信號都變得模糊。這使得圖像變得暗淡、模糊，並且更難以在大腦深處看到。大腦不會自然產生熒光物質。因此，當工程神經元自行發光時，它們就會在幾乎沒有乾擾的黑暗背景下脫穎而出。通過生物發光，腦細胞的作用就像它們自己的車燈一樣。你只需要看著光出來。即使在光線照射下，它們也更容易被看到。擴散到整個組織。 ”

摩爾指出，幾十年來，科學家們一直在討論利用生物發光來研究大腦功能。但到目前為止，還沒有人成功地產生足夠的光線來進行詳細攝影。

使 CaBLAM 成為可能的見解

“這份報告令人興奮有幾個原因，”摩爾說。這幾乎就像你正在使用一個非常敏感和特殊的電影攝影機來記錄大腦活動的發生。 ”

使用 CaBLAM，研究人員能夠觀察活體動物中單個神經元的行為。包括細胞不同部位的活動。在研究中，該團隊報告了持續五個小時的連續錄音過程。這是使用傳統熒光方法無法做到的。

“對於研究複雜行為或學習生物發光，可以用更少的硬件捕獲整個過程，”摩爾說。

超越腦成像

CaBLAM 項目是該中心創新新方法的更大努力的一部分。觀察和控制大腦活動 一項實驗涉及活細胞發出可由附近細胞檢測到的閃光。這使得神經細胞能夠利用光本身進行通信。 （摩爾所說的團隊還在開發一種利用鈣來控制細胞活動的技術。

隨著這些項目的發展，研究人員很快意識到所有這些項目都依賴於更明亮、更高效的鈣傳感器。摩爾說，這種需求已成為該中心工作的重點。

“我們確保作為一名中鋒，我們試圖推動這個領域向前發展。我們創造了必要的部分，”摩爾說。

具有更廣泛潛力的工具

摩爾認為 CaBLAM 最終可以用於神經科學之外的其他領域的活動研究。身體的

“這一進步開闢了新的選擇。大腦和身體的工作方式有很多值得研究的地方，”摩爾說，“包括同時跟踪身體多個部位的活動。”

他補充說，這一成功凸顯了合作研究的力量。至少有 34 名科學家參與了該項目。代表該聯盟生物發光中心的包括布朗大學、中央密歇根大學、加州大學聖地亞哥分校、加州大學洛杉磯分校和紐約大學。這項工作得到了美國國立衛生研究院的資助。美國國家科學基金會和保羅·G·艾倫家庭基金會。