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方法学:电位敏感荧光蛋白

作者: 来源: 2018-01-22 我要评论( )

来自日本理化学研究所,法国国家科学研究中心等处的研究人员发麻了一种新型光传感器,这种传感器能检测出活体大脑中神经细胞中产生的电子变化,这有助于科学家们实时追踪,研究分析

生物通报道:来自日本理化学研究所,法国国家科学研究中心等处的研究人员发麻了一种新型光传感器,这种传感器能检测出活体大脑中神经细胞中产生的电子变化,这有助于科学家们实时追踪,研究分析大脑神经活动。这一研究成果公布在Nature Methods杂志上。

文章的通讯作者是脑科学综合研究中心神经回路动力学研究组的Thomas Knöpfel组长,这位科学家在大脑活动研究方面取得了多项成果,曾就小脑内皮层的高频网络振荡等方面发表多篇文章。

光遗传学(optogenetic)技术是指将光学技术与遗传学技术相结合,在动物体内针对神经系统开展研究的技术,比如说可以结合遗传工程与光来操作个别神经细胞的活性,发现脑部如何产生γ波(gamma oscillations),并为它们在调控脑部功能中的角色提供新证据,这将有助于发展一系列脑相关失调的新疗法。

在这篇文章中,研究人员获得了大脑神经研究方面的一个光遗传学研究新工具:电位敏感荧光蛋白,他们成功开发出能够在活着的大脑内检测出神经细胞中产生的电子变化的光传感器,这种光传感器就是一种电位敏感荧光蛋白:VSFP2.3/2.42。而且研究人员首次在小鼠脑部特定部位遗传性编入这一蛋白,并通过刺激一根胡须后实时记录了产生的神经活动情况。

构成生物体的细胞发挥着各种特性,生命现象也由此而生。实时了解细胞间的活动、各种细胞的活动状况成为研究人员揭开复杂生命谜团,开发疾病治疗方法的重要途径。在保护头盖骨的同时,对处理大脑庞大信息的大量神经细胞活动进行实时性成像是非常困难的。
在分子成像研究不断发展的同时,人们希望能够开发出把神经细胞间的会话制作成录像的工具。

这项研究开发电位敏感荧光蛋白,通过导入基因将大脑神经活动图像化,是在读取神经活动的大脑上实现光遗传学技术应用。研究人员将遗传性导入电位敏感荧光蛋白的新型光传感器,特定了2种荧光蛋白在细胞膜上表达,比较2种荧光量获得神经细胞的微妙活动变化。活用遗传学与光发光现象,开发出能够读取细胞活动的光遗传学实用工具。通过这个传感器观察图像,精准度可以达到能够知道哪根胡须被触动。将此次研究成果运用到神经疾病中,将有望弄清是哪条神经回路发生了变化。

光遗传学是由斯坦福大学的研究人员开始用于研究小鼠大脑的,他们将这项技术称之为Optogenetics(optical stimulation plus genetic engineering 光刺激基因工程/光遗传学),这个技术的关键是:科学家们必须事前向小白鼠体内注射一种植物基因,这种基因能够对不同颜色光的刺激作出敏感的反应,还能通过自生特性感染类似的细胞。

2009年,研究人员就利用这种光控技术选择并打开了某种生物的一类细胞。这也帮助科学家解答一个长期存在的难题,即关于脊髓中某类神经元的特殊功能的研究。他们在清醒的斑马鱼幼虫的这些细胞中靶向插入光敏开关,结果发现这些细胞产生了突发的游泳行为—幼虫典型的周期性摆尾。

使用这些光遗传学(optogenetic)工具,能够激活清醒哺乳动物的单一神经元,并直接演示神经元激活表现出的行为结果。该光遗传学方法使得研究人员能够获得关于脊髓回路的一些重要信息。

(生物通:万纹)

原文摘要:

Imaging brain electric signals with genetically targeted voltage-sensitive fluorescent proteins

Cortical information processing relies on synaptic interactions between diverse classes of neurons with distinct electrophysiological and connection properties. Uncovering the operational principles of these elaborate circuits requires the probing of electrical activity from selected populations of defined neurons. Here we show that genetically encoded voltage-sensitive fluorescent proteins (VSFPs) provide an optical voltage report from targeted neurons in culture, acute brain slices and living mice. By expressing VSFPs in pyramidal cells of mouse somatosensory cortex, we also demonstrate that these probes can report cortical electrical responses to single sensory stimuli in vivo. These protein-based voltage probes will facilitate the analysis of cortical circuits in genetically defined cell populations and are hence a valuable addition to the optogenetic toolbox.

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光遗传学|电位敏感荧光蛋白

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