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Science:科学家发布革命性荧光标记技术

霍华德•休斯医学研究所的科学家们开发了一个革命性的新工具,可以在动物大脑中永久性标记神经元活动。在神经元激发钙离子流入时,这个工具(荧光蛋白CaMPARI)会从绿色变为红色。此前,研究者们需要在正确的时间用显微镜聚焦正确的细胞才能观察到神经元活动,现在这个永久性的荧光标记为他们带来了解放。


对钙离子敏感的GCaMP能够根据神经活性发出荧光信号,被用来跟踪神经网络的动态。但GCaMP的信号是暂时的,如果显微镜没有及时对准正确的大脑细胞,研究者很容易错过信息。而CaMPARI能够超越显微镜视场的限制,帮助人们分析大范围脑组织的神经活动。这个新工具还允许人们在更复杂的行为中成像神经活动,因为它可以用于自由活动的动物。


“这一技术最吸引人之处在于,动物在实验中不需要一直处于显微镜下,” 霍华德•休斯医学研究所的Loren Looger说。


Looger、Eric Schreiter及其同事在二月十三日的Science杂志上发表文章,向人们展示了CaMPARI在果蝇、斑马鱼和小鼠中标记神经回路活动的能力。


研究人员从荧光蛋白Eos开始打造CaMPARI。Eos本来发绿色荧光,但紫色光照会永久改变该蛋白,使其发红色荧光。随后研究人员整合了对钙离子敏感的钙调蛋白,让颜色改变依赖于伴随神经活动的钙离子流。


研究人员花了一年多时间调整这个蛋白,提高它的亮度和响应能力,确保它能在细胞和活体动物中正常工作。最终他们将这个荧光蛋白命名为CaMPARI(calcium-modulated photoactivatable ratiometric integrator)。


CaMPARI的荧光改变需要紫色光照,实验者可以根据这一点在追踪神经活动期间进行控制。“当动物做出我们关心的行为时打开紫光,当动物停止这个行为时关掉紫光,”Schreiter解释道。“这样我们就能捕捉到,动物做出相应行为时的神经活动。”


研究人员通过一系列实验展示了CaMPARI的有效性。他们在斑马鱼游动的时候,跟踪了整个大脑十秒种内的神经活动。运动神经元和其他参与游泳的神经元发红色荧光,这与其他团队的电生理学实验结果一致。当研究人员改变水温或扰乱水流的时候,神经元的激发模式会显著改变。


研究人员还在果蝇中,用CaMPARI鉴定了应答特定气味的神经元。研究显示,不同气味激活触角叶中的不同神经元,这也符合其他团队的研究结果。研究人员看到,直接应答气味的神经元激活之后大脑其他区域的神经元陆续变红,显示了嗅觉回路的二级、三级甚至四级组分。这样的实验是很难在显微镜下进行的。


现在人们可以从Addgene获得编码CaMPARI的质粒,从Bloomington果蝇储备中心获得表达CaMPARI的转基因果蝇。文章作者们的所在单位还提供表达CaMPARI的斑马鱼。


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