新方法可以帮助研究人员观察神经元的计算

这些分子的荧光亮度直接响应神经元的电压变化

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至少从1950年代开始,研究人员就推测大脑是一种计算机,其中神经元组成复杂的电路,每秒执行无数次的计算。数十年后,神经科学家知道存在这些大脑回路,但是技术限制使他们的大多数计算细节无法触及。

现在,神经科学家在12月12日的《细胞》杂志上发表了一篇文章,他们也许终于能够揭示出大脑深部的神经回路,这在很大程度上要归功于该分子比以往任何时候都更亮,以响应神经元用来控制神经系统的细微电变化。执行他们的计算。

当前,跟踪神经元电活动的最佳方法之一是在一个神经元将电信号传递给另一神经元的瞬间,在存在钙离子的情况下发光的分子(钙离子是神经元尖峰的代表)。但是钙的流动速度太慢,无法捕捉到神经元尖峰的所有细节,并且它根本不响应导致尖峰的细微电变化。(一种替代方法是植入电极,但是这些植入物最终会损害神经元,并且在活体动物中一次将电极放置在少数几个神经元中是不切实际的。)

为了解决这些问题,神经生物学和生物工程副教授,伍仔神经科学研究所成员迈克尔林(Michael
Lin)和巴黎高等师范学院INSERM研究主任斯特凡迪乌多妮(StphaneDieudonn)领导的研究人员关注荧光分子,这些分子的荧光亮度直接响应神经元的电压变化,这是Lin和他的团队多年来一直致力于的想法。

尽管如此,这些分子仍然存在一个问题:它们的亮度并不总是对电压如此敏感,因此Lin和他在斯坦福大学的团队转向了生物学中一种著名的方法,即电穿孔。在这种技术中,研究人员使用电探针刺破细胞膜上的孔,其副作用是它们的电压像被刺穿的电池一样迅速降至零。通过切换候选分子库,Lin及其同事可以选择亮度对电压漂移最敏感的那些分子。林说,所得分子称为ASAP3,是迄今为止响应最迅速的电压指示器。

Dieudonn和他的实验室专注于另一个问题:如何更有效地扫描大脑深处的神经元。为了使诸如ASAP3之类的荧光分子在大脑深处发光,研究人员经常使用一种称为双光子成像的技术,该技术采用可以穿透组织的红外激光束。然后,为了足够快地扫描多个神经元以观察尖峰,尖峰本身仅持续约千分之一秒,研究人员必须迅速将激光光斑从一个神经元移动到另一个神经元,这在移动动物时很难做到可靠。Dieudonn及其同事发现,解决方案是一种称为超快局部体积激励(ULoVE)的新算法,其中激光可以一次快速扫描神经元周围体积的几个点。

Dieudonn说:这种策略将每个激光脉冲成形并发送到组织内的正确体积,从而构成了光功率的最佳利用方式,有望使我们每秒记录和刺激大脑中数百万个位置。