新型成像技术或可对大脑化学信号实现实时监测

近日，来自国外的神经科学家开发了一种新方法，可以实时观察大脑中化学信使的水平起伏状况，同时研究者们还能够观察到当小鼠对声音产生反应流口水时大脑中神经递质水平的激增，就像巴浦洛夫的狗一样，一听到铃响，就会分泌唾液。

这项研究发表在8月22日在费城举办的美国化学协会年会上，研究人员利用这种新技术就可以帮助阐明神经递质的复杂语言，最终或将帮助科学家们更好地理解大脑的回路。大脑的电涌现象很容易去追踪，但检测驱动这一活性产生的化学信号却非常困难，即在大脑细胞和促使大脑细胞激活之间循环的神经递质，来自MIT的研究者Michael Strano指出，这是大脑中所隐藏的信号网络，我们需要利用工具去揭开它神秘的面纱。

在大脑的很多结构中，神经递质都可以在不能检测到的极低水平下存在，通常情况下，研究者通过抽取神经元之间流动的液体并且在实验室中分析其内容，来监测大脑神经递质的水平，但这种技术并不能实时测定神经递质的活性。另外一种选择就是将金属探针插入到神经元之间的空间中来测定当神经递质接触金属探针时神经递质所产生的化学反应，但这种探针不能有效区分在结构上相似的分子，比如多巴胺等，多巴胺主要参与机体的愉悦感和奖惩机制，而去甲肾上腺素则参与机体警觉度的表现。

荧光安装（Fluorescence fix）

今年5月份，来自西奈山伊坎医学院的研究者Paul Slesinger和加利福尼亚大学的David Kleinfeld通过研究报道了一种新方法，该方法可以制造出遗传修饰化的人类细胞，而这些修饰后的细胞则能够产生用于神经递质的人工受体，这些受体都被连接上荧光分子，以便当特殊的神经递质与其结合时细胞就会被点亮。

研究者将名为CNiFERs的细胞植入到13只小鼠的大脑中，CNiFERs细胞即为基于神经递质荧光工程化受体开发的细胞，随后研究者在小鼠头盖骨上开口完全暴露出小鼠的大脑组织，并且将透明的覆盖物置于开口处，以便他们可以更加清楚地通过显微镜实时观察细胞的点亮过程。

在5天的时间里，在给予小鼠糖治疗之前研究者通过制造声音来追踪小鼠，当小鼠听到声音后很快就会学会分泌唾液；每天研究者都会记录来自小鼠大脑中的光信息，从而确定小鼠大脑中神经递质释放的准确时间；这样一来研究者就实现了首次观察到小鼠在听到声音后大脑中多巴胺信号水平的激增。

去甲肾上腺素是一种参与机体警觉反应的分子，同时其还被认为在机体学习过程中水平会不断增加，但研究者从来没有实时地实现过从多巴胺中有效区分去甲肾上腺素，通过对CNiFERs细胞进行工程化操作使其对每一种神经递质都变得特殊，研究者Slesinger和Kleinfeld就通过研究首次发现，去甲肾上腺素的水平随着声音发生后在可变的时间内会达到峰值，而且不会随着个体的训练而发生改变，这就表明，神经递质或许会对其它因素或行为反应产生响应。

利用针对两种神经递质的CNiFERs分离细胞进行研究或许最终可以帮助揭示，是否去甲肾上腺素在个体学习和成瘾过程中扮演重要角色，以及是否靶向作用去甲肾上腺素的药物能够改变机体的行为。

映射方法（Mapping methods）

研究者Strano说道，这种新技术或许可以改善当前的方法，因为其能够直接对神经递质进行定量，从而代替了通过效应来计算神经递质水平的方法，而新方法能够帮助我们进行最纯粹的检测。但研究者担心的是，遗传修饰的细胞或许和天然细胞的行为不太一样，如今Strano的实验室正在对一系列纳米管进行试验，当这些纳米管遇到大脑中的神经递质时其就能够跨越血脑屏障并且发光。

但来自加利福尼亚大学的研究者Lin Tian认为，这种技术的用途或许有限，CNiFERs可以帮助阐明是否诸如多巴胺等分子的总体水平是上升状态还是下降状态，但其却并不能帮助揭示神经元是发送信号还是接受信号，这对于绘制复杂交错的大脑回路无疑是非常困难的。相反，Lin Tian和其同事目前正在对细菌的蛋白进行修饰以便修饰后的细菌蛋白能够结合神经递质并且发光，而且这种技术足够精确以至于能够检测出两个神经元之间单个间隙中的谷氨酸盐信号分子，从而帮助揭示具体参与该过程的确切细胞的存在。

研究者Tian说道，CNiFERs或许对于基于氨基酸的神经肽类非常有用，比如食欲肽（orexin），其主要参与机体的睡眠和药物寻求行为，利用一些化学技术很难检测这些大型分子，如今研究者们正在对CNiFERs及其它的神经肽类进行研究。

所有研究者都想尽力去扩大能够被检测到的神经递质的目录，研究者Kleinfeld说道，CNiFERs或许并不太可能被用于人类机体试验中，因为将细胞植入到大脑中非常危险，但CNiFERs或许可以被用来检测药物是否在小鼠机体内能够正常工作，同时其还能够足够敏感地检测大脑的功能异常。

参考资料：

【1】Brain's chemical signals seen in real time

【2】Construction of Cell-based Neurotransmitter Fluorescent Engineered Reporters (CNiFERs) for Optical Detection of Neurotransmitters In Vivo

J Vis Exp   doi： 10.3791/53290

【3】Neurotransmitter Detection Using Corona Phase Molecular Recognition on Fluorescent Single-Walled Carbon Nanotube Sensors

J. Am. Chem. Soc          DOI： 10.1021/ja410433b

【4】An optimized fluorescent probe for visualizing glutamate neurotransmission

Nature Methods    doi：10.1038/nmeth.2333