著名华人科学家Cell子刊细胞研究新技术

　　

生物通报道  由麻省理工学院的神经科学家领导的一个研究小组开发出了一种新方法来监控脑细胞是如何相互协调控制如启动动作或探测气味等特异行为的。这项新的成像技术是基于检测神经元中的钙离子，可以帮助他们绘制出执行这些功能的脑回路，并提供关于自闭症、强迫症和其他精神疾病起因的新认识。相关论文发表在10月18日的《神经元》（Neuron）杂志上。

领导这一研究的是著名华人学者、杜克大学神经生物学系教授冯国平（Guoping Feng）。其早年毕业于浙江医科大学，后赴美国华盛顿大学师从著名生物学家Josh Sanes从事博士后研究。期间系统揭示了乙酰胆碱能神经突触的发育机理，同时创建了为神经生物学界广泛应用的绿色荧光蛋白转基因小鼠模型（GFP transgenic mice）。2010年起受聘于麻省理工学院，科研论文科研论文曾在Cell, Science, Neuron, Nature Neuroscience等顶级生物学杂志上发表。在美期间，十多次获得学术嘉奖，包括　Alfred Sloan Research Fellowship, Broad Scholar Award, Mcknight Neuroscience of Brain Disorders Award等。

冯国平教授说：“要了解精神疾病，我们必须要研究动物模型，从而弄清楚当动物行为异常时大脑中发生的事件。这是一个非常强有力的工具，将实实在在地帮助我们了解这些疾病的动物模型，研究大脑在正常及疾病状态是如何发挥功能的。”

执行任何的脑功能都需要大脑不同部位的大量神经元进行相互沟通。它们通过发送电信号，启动钙离子流入活性细胞来实现这种沟通。利用与钙离子结合的染料，研究人员曾经对神经元中的神经活动进行了成像观测。然而由于大脑中包含成千上万的细胞类型，每种均具有不同的功能，染料被细胞非选择性吸收，利用这种方法无法精确确定特异细胞类型中的钙离子。

为了克服这一问题，麻省理工学院领导的研究小组利用一种绿色荧光蛋白（GFP）构建出可以靶向特异细胞类型的钙离子成像系统。日本埼玉大学的Junichi Nakai第一个开发了一种当结合钙离子时就会被激活的GFP，论文的作者之一、霍华德休斯医学研究所的Loren Looger改良了这一蛋白使得它的信号强到可适用于活体动物。

麻省理工学院的研究人员随后对小鼠进行了遗传工程操作，通过将基因与只在小鼠锥体细胞中具有活性的一种调控性DNA序列配对，使得锥体细胞表达这一蛋白。利用双光子显微镜以高速及高分辨率进行成像，研究人员可以确定当大脑正执行一项特定任务或对某种刺激做出反应时的活性锥体细胞。

在这一研究中，研究人员精确地找到了当小鼠胡须被触动以及嗅觉细胞对某些香气做出反应时激活的躯体感觉皮层细胞。

研究人员现正开发一种表达这一钙离子敏感性蛋白，且表现自闭症行为及强迫症症状的小鼠。研究人员打算利用这些小鼠来了解不同于正常小鼠的神经元激发模式。这可能有助于准确确定细胞水平上出现的错误，提供对这些疾病机制的新认识。

冯国平教授说：“现在我们只知道神经元间通讯的缺陷在精神疾病中起重要的作用。但我们并不知道这些缺陷确切的性质，以及有关的特异细胞类型。如果我们知道哪些细胞类型是不正常的，我们就可以找到方法来纠正异常的激发模式。”

研究人员还计划将他们的成像技术与光遗传学相结合，使得他们能够利用光来开启或关闭特异的神经元类型。通过激活特异的细胞，然后观察靶细胞中的反应，他们将能够精确地绘制大脑回路。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Imaging Neural Activity Using Thy1-GCaMP Transgenic Mice

The ability to chronically monitor neuronal activity in the living brain is essential for understanding the organization and function of the nervous system. The genetically encoded green fluorescent protein-based calcium sensor GCaMP provides a powerful tool for detecting calcium transients in neuronal somata, processes, and synapses that are triggered by neuronal activities. Here we report the generation and characterization of transgenic mice that express improved GCaMPs in various neuronal subpopulations under the control of the Thy1 promoter. In vitro and in vivo studies show that calcium transients induced by spontaneous and stimulus-evoked neuronal activities can be readily detected at the level of individual cells and synapses in acute brain slices, as well as chronically in awake, behaving animals. These GCaMP transgenic mice allow investigation of activity patterns in defined neuronal populations in the living brain and will greatly facilitate dissecting complex structural and functional relationships of neural networks.