新方法对大脑皮层深处单个细胞的快速大脑活动进行持久成像

一种新的传感器可以让神经科学家在不丢失信号的情况下对大脑活动进行成像，比以前可能的更长时间和更深入的大脑。

　　

当你阅读这些文字时，你大脑的某些区域显示出一波毫秒级的电流活动。可视化和测量这种脑电活动对于理解大脑如何让我们看到、移动、行为或阅读这些文字至关重要。然而，技术上的限制正在拖延神经科学家实现他们的目标，即提高对大脑如何工作的理解。

贝勒医学院和合作机构的科学家们在《Cell》杂志上报道了一种新的传感器，它可以让神经科学家在不丢失信号的情况下对大脑活动进行成像，比以前可能的更长时间和更深入的大脑。这项工作为在清醒、活跃的动物和有神经系统疾病的动物中大脑如何运作的新发现铺平了道路。

神经科学的圣杯

通讯作者François St-Pierre博士说:“不仅大脑的电活动非常快，它还涉及到在大脑计算中扮演不同角色的各种细胞类型。在动物进行活动时，如何无创性地观察特定细胞类型的单个神经元毫秒级的电活动一直是一个挑战。能够做到这一点一直是神经成像的圣杯。”

现有的技术可以测量脑电活动。“例如，电极可以记录非常快的活动，但它们无法分辨听到的是哪种类型的细胞。”

研究人员还使用荧光蛋白来对与电活动相关的钙变化做出反应。这些荧光的变化可以用双光子显微镜来跟踪。“这种传感器能够很好地确定哪些神经元是活跃的，哪些不是。然而，它们非常慢。它们间接测量电压变化，因此遗漏了很多关键信号。”

François St-Pierre和他的同事们的目标是将这些方法中的最佳方法结合起来——开发一种传感器，可以监测特定细胞类型的活动，同时捕捉快速的大脑信号。St-Pierre说:“我们通过被称为基因编码电压指示器(GEVIs)的新一代工程荧光蛋白实现了这一点。”

共同第一作者——Zhuohe（Harry） Liu，Xiaoyu(Helen) Lu和Yueyang(Eric) Gou——创造并使用了一种自动化系统，为双光子显微镜提供了一种更好、更有效的方法来设计和优化荧光电压指示器，双光子显微镜是神经科学中无创深度组织成像的标准方法。“使用这个系统，我们测试了数千种指示器变体，并确定了JEDI-2P，它比之前的型号更快、更亮、更灵敏、更稳定，”在St-Pierre实验室工作的莱斯大学电气与计算机工程研究生Liu说。

“通过JEDI-2P，我们解决了之前方法的三个重要缺陷，”Lu说，他是莱斯大学系统、合成与物理生物学(SSPB)项目的研究生。“首先，它允许我们跟踪活体动物的电活动长达40分钟，而不是最多几分钟。第二，我们可以以大约1毫秒的时间分辨率成像电活动峰值，第三，我们可以成像大脑深处的单个细胞，因为我们的指示器是明亮的，并产生大信号来响应大脑活动。”

到目前为止，研究人员只能观察大脑的表面，“但大多数大脑活动显然不局限于大脑表面以下的前50微米，”St-Pierre说。“我们的方法允许研究人员首次无创地监测皮层深层的电压信号，”St-Pierre实验室的前成员、现在贝勒神经科学研究生项目的Gou说。

贝勒的合著者、神经科学教授Andreas Tolias博士和神经科学助理教授Jacob Reimer博士证明，JEDI-2P可以使用许多神经成像实验室可用的成像设备报告小鼠的电活动。合著者Stéphane Dieudonné 通过一种名为ULoVE的快速显微镜方法监测JEDI-2P荧光，显示了对小鼠脑电信号的深度和超快检测。之后他们展示了JEDI-2P如何分别应用于果蝇视网膜和果蝇的电活动图像。综上所述，这项国际合作的努力表明，这项新技术可以被神经科学小组利用不同的动物模型和各种显微镜技术轻松部署。

“2014年，我在神经科学学会(Society of Neuroscience)会议上做了一个关于该指标第一版的报告，人们认为，荧光指示器的快速电压成像在清醒的动物身上永远不可能实现，因为成像毫秒级活动的巨大技术挑战，”St-Pierre说。“8年后，我们实现了这个目标。而且指示器还有发展的空间——它不会是最后一个绝地武士!”

Deep, long, and fast voltage recording in vivo using an indicator optimized for two-photon microscopy