脑机启侦 | 新型电压指示器能够使超灵敏的突触成像（11.6）

​图片来源：Michael Lin lab

斯坦福大学神经科学研究所的生物工程师和神经科学家开发了一种高度敏感的工具，用于检测脑细胞的微弱电信号。

这项突破性成果首次使科学家能够实时可视化人类脑细胞之间电通信的全部频谱。这极大地增强了研究人员理解脑信号以及与自闭症和癫痫等疾病相关的异常的能力。

研究介绍

我们所经历的每一种感觉、记忆和思维，都被编码在大脑中庞大神经网络中持续闪烁的信号中。神经元“聆听”这些电信号的低语，其广泛分支的树突通过突触连接从成千上万的信源截取信息。

每条信息都通过一个含化学神经递质的包裹进行传递，在突触处触发微小的电反应，其电压仅为几千分之一伏特或更低，且在毫秒内消失，其中的大多数信号细胞几乎察觉不到。

但数十条重叠的信息可以累积成有意义的内容，触发大约100毫伏的“尖峰”或“动作电位”，细胞将这种电位沿网络中的所有接触点传递，分发自己的化学信息瀑布，并继续电流流动。

自20世纪上半叶以来，神经科学家一直在研究如何检测这些微小信号，解码大脑的电语言。神经元尖峰，以及后来的微小“突触电位”，最初是通过记录电极和分离神经元及脑切片制备方面的巧妙进展检测到的。但神经科学家长期以来一直渴望找到可靠的方法来实时可视化活跃脑回路电流的全频谱。

这项新研究首次使用了一种名为ASAP5的新型遗传编码电压指示剂，这是斯坦福大学化学工程师、神经生物学和生物工程学副教授、吴蓓薇神经科学研究所成员迈克尔·林开发的尖端电压传感器家族中的最新成员，使这一愿景成为可能。

这项新进展建立在林与计算生物物理学家、斯坦福人工智能实验室Cheriton家族计算机科学教授罗恩·德罗之间基础合作的基础上，该合作由2017年的一笔种子基金促成。这项工作对于开发ASAP5的前身ASAP3和ASAP4至关重要。

这些工具已成为观察培养神经元和老鼠、苍蝇等动物大脑中电活动的常用手段。但这些工具迄今为止仅限于检测神经元尖峰和较大的“阈下”突触信号，如何达到检测突触活动最微弱低语的灵敏度水平仍然是一个挑战。

“还未解决的问题是，电压指示剂无法可靠地检测神经元中的单个突触事件，也未曾用于观察人类神经元之间的信号传递。”该研究的主要作者如是说道。

研究意义

这项新研究找到了解决方案。通过筛选数千种遗传变体，研究团队设计了一种优化的ASAP分子，专门用于检测神经元正常静息电压附近的电压变化。凭借这种传感器，研究人员甚至能够检测到单个神经递质包随机自发释放——这是可能的最小突触信号。

迈克尔·林说：“由于ASAP5的灵敏度和速度有所提高，我们可以检测到在突触局部或细胞体处接收单个突触囊泡所诱发的小电脉冲，这使我们能够观察这些脉冲如何从突触传播到细胞体。”

这些进展不仅解决了电压检测方面的长期挑战，还使神经元如何通过这些微弱的电信号进行通信的新发现成为可能。

该工具已经使研究团队能够就细胞如何汇总信息做出新观察。“有趣的是，我们发现远离细胞体的突触会引发更大的反应，”迈克尔·林解释道。

换句话说，神经元会调整其广泛树突上最远的突触，使其电信号“更响亮”，这样它们的输入就不会被靠近细胞体的突触所淹没。

ASAP5能够检测到由单个神经递质包自发释放引起的突触电位——通常称为突触“噪声”，这不仅是其灵敏度的惊人标志，而且可能在研究神经疾病方面具有重要用途。

从自闭症到癫痫的各种神经系统疾病都涉及突触基本特性的变化，因此，观察到突触信号的微弱低语，将成为科学家理解、诊断和治疗这些疾病的价值工具。

研究团队在多种常见的实验室制备物和模型生物中测试了该工具，实验室培养的人类脑细胞也包括在内。

“我们可以检测到由人类干细胞衍生的人类神经元中的突触事件，并且可以可视化多个人类神经元之间的协调，从而快速评估与疾病相关的突变如何影响突触的活动以及神经元在网络中放电的能力。”迈克尔·林说道。

新闻来源：Neuron