《Neuron》新技术让研究人员可以追踪脑细胞的“关闭开关”

这种方法可以揭示出，当神经元被正确或不正确地激活或抑制时，在许多大脑状况下是什么出了问题。

　　

几十年来，科学家们通过观察不同脑细胞群的激活时间，研究了人类和动物大脑中复杂的活动模式。然而，了解大脑和相关疾病同样重要的是，知道这些神经元保持活跃的时间以及它们何时再次关闭。

现在，斯克里普斯研究中心的科学家们已经开发出一种新技术，可以让他们追踪在一次活动爆发后，脑细胞何时关闭——这一过程被称为抑制。这项技术发表在2024年1月23日的《Neuron》杂志上，它提供了一种新的方法，不仅可以研究大脑的正常功能，还可以研究大脑的“关闭开关”如何在正常行为中出错，以及在疾病和失调中出错，包括抑郁症、创伤后应激障碍和阿尔茨海默病。

“人们普遍认为，神经元的抑制确实是大脑调节活动的主要方式，”资深作者、斯克里普斯研究所(Scripps Research)教授Li Ye说。“科学家们一直在寻找一种更可追踪的方式来研究抑制作用，但到目前为止，很少有人找到它。”

为了开拓这种新方法，Ye与斯克里普斯研究所的分子医学教授John Yates合作。他们想研究脑细胞在活跃放电时(释放电荷将信息传递给邻近细胞)与停止放电时是如何变化的。科学家们利用光遗传学，利用光来控制细胞的活动，反复激活和抑制细胞。然后，他们测量了不同蛋白质的水平和特征以及它们的修饰。他们发现，一种蛋白质丙酮酸脱氢酶(PDH)在脑细胞受到抑制后立即发生了非常迅速的变化。

Ye解释说:“当神经元放电时，你需要大量的能量，而这种PDH蛋白参与产生这种能量。但大脑确实想要保存能量，所以当一个细胞放电结束时，我们发现大脑会迅速关闭PDH蛋白。这比我们在基因表达中看到的任何其他事情都要快得多。”

研究人员发现，为了关闭PDH，细胞向蛋白质中添加了称为磷酸盐的分子标签。Ye和他的同事发现抗体只能识别这种无活性的磷酸化形式的PDH (pPDH)。为了测试磷酸化的PDH(或pPDH)水平是否可以作为脑细胞抑制的代理，Ye的团队使用这些抗体来测量麻醉小鼠的pPDH。几乎整个大脑都被高水平的pPDH点亮了，这正确地显示了大部分大脑在麻醉期间是不活跃的。

该小组还研究了当动物暴露在强光下，然后关闭强光时pPDH的水平。当暴露在光线下时，负责视觉的视觉皮层中的脑细胞pPDH水平较低(因为PDH的活性形式需要向这些细胞提供信号能量)，但在光线关闭后，高水平的磷酸化蛋白立即增加。

Ye的研究小组还使用这项新技术来研究一个不太为人所知的过程:大脑是如何在饭后关闭饥饿感的。他们展示了当鼠开始进食时，与食欲相关的脑细胞是如何关闭的。这些发现可能会对更好地理解食欲、肥胖和一些减肥药产生影响。更广泛地说，pPDH抗体可用于比较健康人与患有各种脑和代谢疾病的人的脑细胞抑制水平。

“这项技术可以帮助我们回答很多问题，”Ye说。“如果大脑不能关闭细胞，或者它们的关闭速度比平时更快或更慢，会发生什么?”神经元的抑制是如何在不同的疾病中发挥作用的?”

Ye和他的同事们正在继续微调pPDH的使用，但他们说，其他研究人员已经在使用这项技术——用于测量pPDH的抗体已经可以在市场上买到。

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Phosphorylation of pyruvate dehydrogenase inversely associates with neuronal activity