工程传感器揭示了大脑隐藏的化学对话

　　

科学家们设计了一种蛋白质，能够记录脑细胞输入的化学信号（而不仅仅是脑细胞输出的信号）。这些悄无声息的传入信息是神经递质谷氨酸的释放，谷氨酸在脑细胞之间的交流中起着至关重要的作用，但到目前为止，它一直很难被捕捉到。

艾伦研究所和HHMI的Janelia研究校园的研究人员设计的特殊蛋白质是一种名为iGluSnFR4的分子“谷氨酸指示器”（发音为“胶水嗅探器”）。它足够灵敏，可以探测到大脑神经元之间最微弱的传入信号，为破译和解释支撑学习、记忆和情感的复杂电活动级联提供了一种新方法。iGluSnFR4可以帮助解码大脑隐藏的语言，加深我们对其复杂电路如何工作的理解。这一发现使研究人员能够实时观察大脑中的神经元交流。这一发现刚刚发表在《Nature Methods》杂志上，可能会改变神经科学研究的方式，因为它涉及到测量和分析神经活动。

大脑隐藏的语言被揭开

要理解这一发现的意义，首先要了解大脑是如何工作的：数十亿神经元通过向它们的树枝状轴突发送电脉冲来相互“交谈”。当电信号到达轴突的末端时，它们不能跳过间隙到达下一个脑细胞，即突触。相反，它们会触发被称为神经递质的化学信使（谷氨酸是记忆、学习和情感中最常见和最关键的物质）释放到突触中，从而导致下一个脑细胞按顺序放电。

这就像一排倒下的多米诺骨牌，但要复杂得多：每个神经元接收来自数千个其他神经元的输入，这些输入神经元的特定模式和组合是下一个（接收）神经元发射的原因。有了这个新发现，科学家们现在可以确定导致下一个神经元放电的输入神经元活动的关键模式和组合。到目前为止，在活体脑组织中检测这些传入信号几乎是不可能的。旧的技术要么太慢，要么不够灵敏，无法在单个突触水平上捕捉到动作。现在，研究人员可以听到整个对话，而不是其中的片段。

该研究的主要作者、艾伦研究所的资深科学家卡斯帕·波德戈尔斯基博士说：这就像读一本书，所有的单词都被打乱了，不明白单词的顺序或它们是如何排列的。我觉得我们在这里做的是增加这些神经元之间的连接，通过这样做，我们现在了解了页面上单词的顺序，以及它们的意思。”

在这些蛋白质传感器出现之前，研究人员只能记录来自脑细胞的输出信号，留下了一半的通信方程（细胞输入）是一个谜。直到现在，传入的信号总是太微弱、太快而无法捕捉。

“神经科学家有很好的方法来测量神经元之间的结构连接，在单独的实验中，我们可以测量大脑中的一些神经元在说什么，但我们还不擅长将这两种信息结合起来。很难测量神经元对其他神经元说什么。我们在这里发明的是一种测量从不同来源进入神经元的信息的方法，这是神经科学研究中缺失的关键部分。”

“iGluSnFR4的成功源于我们在HHMI的Janelia研究园区开始的GENIE项目团队和卡斯帕实验室之间的密切合作。这项研究已经扩展到艾伦研究所神经动力学小组所做的惊人的体内表征工作，”HHMI Janelia研究园区的科学家Jeremy Hasseman博士说。“这是实验室和研究所之间合作的一个很好的例子，可以在神经科学领域取得新发现。”

这一发现消除了现代神经科学的一个重要障碍：无法清楚地监测和理解脑细胞如何接收信息。有了这个强大的新工具，研究人员可以通过Addgene获得，一些大脑最深的奥秘可能很快就会被揭示出来。