霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一個(gè)革命性的新工具，可以在動(dòng)物大腦中永久性標(biāo)記神經(jīng)元活動(dòng)。在神經(jīng)元激發(fā)鈣離子流入時(shí)，這個(gè)工具（熒光蛋白CaMPARI）會(huì)從綠色變?yōu)榧t色。此前，研究者們需要在正確的時(shí)間用顯微鏡聚焦正確的細(xì)胞才能觀察到神經(jīng)元活動(dòng)，現(xiàn)在這個(gè)永久性的熒光標(biāo)記為他們帶來(lái)了解放。

對(duì)鈣離子敏感的GCaMP能夠根據(jù)神經(jīng)活性發(fā)出熒光信號(hào)，被用來(lái)跟蹤神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)。但GCaMP的信號(hào)是暫時(shí)的，如果顯微鏡沒(méi)有及時(shí)對(duì)準(zhǔn)正確的大腦細(xì)胞，研究者很容易錯(cuò)過(guò)信息。而CaMPARI能夠超越顯微鏡視場(chǎng)的限制，幫助人們分析大范圍腦組織的神經(jīng)活動(dòng)。這個(gè)新工具還允許人們?cè)诟鼜?fù)雜的行為中成像神經(jīng)活動(dòng)，因?yàn)樗梢杂糜谧杂苫顒?dòng)的動(dòng)物。

“這一技術(shù)最吸引人之處在于，動(dòng)物在實(shí)驗(yàn)中不需要一直處于顯微鏡下，” 霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所的Loren Looger說(shuō)。

Looger、Eric Schreiter及其同事在二月十三日的Science雜志上發(fā)表文章，向人們展示了CaMPARI在果蠅、斑馬魚(yú)和小鼠中標(biāo)記神經(jīng)回路活動(dòng)的能力。

研究人員從熒光蛋白Eos開(kāi)始打造CaMPARI。Eos本來(lái)發(fā)綠色熒光，但紫色光照會(huì)永久改變?cè)摰鞍?，使其發(fā)紅色熒光。隨后研究人員整合了對(duì)鈣離子敏感的鈣調(diào)蛋白，讓顏色改變依賴于伴隨神經(jīng)活動(dòng)的鈣離子流。

研究人員花了一年多時(shí)間調(diào)整這個(gè)蛋白，提高它的亮度和響應(yīng)能力，確保它能在細(xì)胞和活體動(dòng)物中正常工作。最終他們將這個(gè)熒光蛋白命名為CaMPARI（calcium-modulated photoactivatable ratiometric integrator）。

CaMPARI的熒光改變需要紫色光照，實(shí)驗(yàn)者可以根據(jù)這一點(diǎn)在追蹤神經(jīng)活動(dòng)期間進(jìn)行控制。“當(dāng)動(dòng)物做出我們關(guān)心的行為時(shí)打開(kāi)紫光，當(dāng)動(dòng)物停止這個(gè)行為時(shí)關(guān)掉紫光，”Schreiter解釋道。“這樣我們就能捕捉到，動(dòng)物做出相應(yīng)行為時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)。”

研究人員通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)展示了CaMPARI的有效性。他們?cè)诎唏R魚(yú)游動(dòng)的時(shí)候，跟蹤了整個(gè)大腦十秒種內(nèi)的神經(jīng)活動(dòng)。運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元和其他參與游泳的神經(jīng)元發(fā)紅色熒光，這與其他團(tuán)隊(duì)的電生理學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。當(dāng)研究人員改變水溫或擾亂水流的時(shí)候，神經(jīng)元的激發(fā)模式會(huì)顯著改變。

研究人員還在果蠅中，用CaMPARI鑒定了應(yīng)答特定氣味的神經(jīng)元。研究顯示，不同氣味激活觸角葉中的不同神經(jīng)元，這也符合其他團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果。研究人員看到，直接應(yīng)答氣味的神經(jīng)元激活之后大腦其他區(qū)域的神經(jīng)元陸續(xù)變紅，顯示了嗅覺(jué)回路的二級(jí)、三級(jí)甚至四級(jí)組分。這樣的實(shí)驗(yàn)是很難在顯微鏡下進(jìn)行的。

現(xiàn)在人們可以從Addgene獲得編碼CaMPARI的質(zhì)粒，從Bloomington果蠅儲(chǔ)備中心獲得表達(dá)CaMPARI的轉(zhuǎn)基因果蠅。文章作者們的所在單位還提供表達(dá)CaMPARI的斑馬魚(yú)。