Cell解读！科学家开发出能观察和控制大脑神经活性的新工具！

日前，一项刊登在国际杂志Cell上题为“A Molecular Calcium Integrator Reveals a Striatal Cell Type Driving Aversion”的研究报告中，来自斯坦福大学等机构的科学家们通过研究开发了一种新型分子探针，其或能帮助揭示大脑思考和记忆的分子机制，这种名为“flicker”（Fast Light and Calcium-Regulated Expression<快速光和钙调节表达技术>或FLiCRE）的工具或能用于在任何细胞内执行各种研究任务，包括标记、记录和控制细胞功能等。

研究者Alice Ting表示，本文研究工作涉及到神经科学的一个核心目标，就是如何寻找位于机体大脑想法或认知过程背后的神经元系统？长期以来神经科学家们一直都想找到这类研究工具。在概念验证实验中，研究人员就利用FLiCRE工具拍摄到了小鼠体内与回避行为相关的神经活性快照。通过将FLiCRE快照与RNA测序技术相结合，研究者发现，这些被激活的神经元主要属于一种单一的细胞类型，而这种细胞类型仅利用遗传工具是无法获得的。随后研究人员将FLiCRE工具与视蛋白opsin（一种利用光来控制神经活性的特殊蛋白）结合，在一天后重新激活相同的神经元，这或许就会使得小鼠避免进入某个房间，研究人员所研究的大脑区域称之为“伏隔核”（nucleus accumbens），其被认为在包括抑郁症在内的多种人类精神疾病的发生过程中扮演关键角色。

FLiCRE由两种主要的分子组分组成，其能对蓝光和钙做出反应。这种光敏感性就能使得研究人员精确控制实验的时间，而钙几乎是细胞活性的通用指标；为了让FLiCRE进入细胞内部，研究人员将其两部分包装在无害病毒内，FLiCRE的一部分会附着在细胞膜上，同时其包含的蛋白质能够进入到细胞核中并驱动研究人员所选择的基因进行表达；FLiCRE的另一部分主要负责在某些特定条件下释放蛋白质，如果细胞中钙离子浓度较高，细胞就会沐浴在蓝光下。

当前的标记技术需要几个小时才能够被激活，而FLiCRE的标记过程只需要几分钟，于是研究人员设计出了FLiCRE以便能够使用标准的基因测序技术来寻找能被FLiCRE激活的细胞，这就能够帮助他们一次性研究数以万计的细胞，而其它技术往往需要分析多张显微图像，而每张图像中都包含有数百个细胞。

在一系列的实验中，研究人员将FLiCRE注射到小鼠伏隔核的细胞中，并利用opsin蛋白来激活与小鼠回避行为相关的神经回路；一旦含有FLiCRE的细胞中的钙离子浓度（小鼠正在躲避某种东西的细胞指标）飙升的话，细胞就会发出永久性的红色，并通过显微镜能够观察到；此外研究人员还对细胞的RNA进行了测序来观察哪些细胞含有荧光蛋白，并能产生神经活性的逐个细胞记录。研究者Christina Kim指出，我们的目的就是绘制出活体动物中大脑区域之间互相连接的图谱，然而这是一个非常困难的问题，FLiCRE工具的好处就是，其能帮助我们在一个区域内脉冲并激活神经元，随后记录所有连接的下游神经元，而这或许就是一种有效的方式能帮助观察长距离的大脑活性连接。

在接下来的实验中，研究人员使用了第一次实验所获得的细胞活性图，此外他们还调整了FLiCRE以便蛋白质能够表达opsin蛋白，该蛋白还能被橙色光所控制来改变神经元的活性；当在细胞中激活FLiCRE后，每当小鼠进入到特定房间时，研究人员就通过光纤植入物来发出橙色光，而作为回应，小鼠会避开那个房间，这就表明，FLiCRE的确能够确定大脑中驱动机体回避行为的特殊细胞。

FLiCRE的开发和测试结合了化学、遗传学、生物学和神经科学，以及这些学科内的许多专业，因此研究人员认为，FLiCRE工具具有广泛的应用价值，包括对大脑以外的其它细胞进行研究等。目前研究人员正在研究FLiCRE的其它版本，目的是简化流程；研究人员希望能够简化其结构，使其能够与其它生化事件一起工作，比如蛋白质的相互作用或神经递质释放等。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

【1】Christina K.Kim，Mateo I.Sanchez，Paul Hoerbelt， et al. A Molecular Calcium Integrator Reveals a Striatal Cell Type Driving Aversion， Cell(2020). DOI： 10.1016/j.cell.2020.11.015

【2】New tool for watching and controlling neural activity

by Stanford University