来自斯坦福大学的一种新的分子探针可以帮助揭示我们的大脑是如何思考和记忆的。这个工具叫做Fast Light and Calcium-Regulated Expression，简称FLiCRE(发音为flicker)，它可以被发送到任何细胞中去执行各种各样的研究任务，包括标记、记录和控制细胞功能。
斯坦福大学的研究人员开发并测试了一种名为Fast Light and Calcium-Regulated Expression或FLiCRE(发音为flicker)的新型分子探针，它可以帮助科学家绘制和控制神经活动。(图片来源:Getty Images)
“这项工作触及了神经科学的一个核心目标:你如何找到构成思维或认知过程基础的神经元系统?”神经科学家一直想要这种类型的工具很长一段时间,”爱丽丝说,教授在斯坦福大学医学院的遗传学和生物学的人文与科学学院实验室的团队共同工作的斯坦福大学的精神病学家和生物工程师,卡尔戴瑟罗斯。
在12月11日发表在《细胞》杂志上的一篇论文中，研究人员使用FLiCRE拍摄了与逃避行为相关的神经活动的快照。通过将FLiCRE快照与RNA测序相结合，他们发现这些被激活的神经元主要属于一种单细胞类型，仅用遗传工具是无法获得这种细胞的。一天后，他们用FLiCRE和视蛋白(一种控制神经活动的蛋白，由deis血清生成)联合使用，重新激活了同样的神经元，从而使老鼠避免进入某个特定的房间。研究人员研究的大脑区域叫做伏隔核，它被认为在人类的精神疾病中扮演着重要的角色，包括抑郁症。
模块化的分子技术
FLiCRE由两条分子链组成，它们对蓝光和钙的存在做出反应。这种感光性使研究人员能够精确地控制实验的时间，钙离子几乎是细胞活动的普遍指标。为了让FLiCRE进入细胞，研究人员将它分成两部分，装入一个无害的病毒中。FLiCRE的一部分附着在细胞膜上，并含有一种蛋白质，这种蛋白质可以进入细胞核，驱动研究人员选择的任何基因的表达。FLiCRE的另一部分负责在特定条件下释放蛋白质，即当钙的浓度很高，细胞处于蓝光下时。
新的方法可以捕捉到整个大脑活动的快照
现有的标记技术需要数小时才能激活，而FLiCRE标记过程只需几分钟。研究人员还设计了FLiCRE，这样他们就可以使用标准的基因测序来找到激活FLiCRE的细胞。这使得他们可以同时研究数以万计的细胞，而其他技术往往需要分析多个显微镜图像，每个图像包含数百个细胞。
在一系列实验中，研究人员将FLiCRE注射到小鼠伏隔核的细胞中，并使用视蛋白激活与回避行为相关的神经通路。一旦含有微粒的细胞中的钙含量上升——细胞表明老鼠在躲避什么东西——细胞就会发出一种通过显微镜可以看到的永久性红色。研究人员还对这些细胞的RNA进行测序，看看哪些细胞含有荧光蛋白，从而产生一个细胞一个细胞的神经活动记录。
“其中一个目标是绘制活体动物的大脑区域是如何相互连接的，这是一个非常困难的问题，”斯坦福大学(Stanford)遗传学博士后学者、该论文的联合第一作者克里斯蒂娜·金(Christina Kim)说。“FLiCRE的美妙之处在于，我们可以脉冲并激活一个区域的神经元，然后记录所有连接的下游神经元。这是研究远距离大脑活动联系的一种很酷的方式。”
在接下来的实验中，研究人员使用了第一次实验的细胞活动图。他们还调整了FLiCRE，使该蛋白表达视蛋白，视蛋白可以被橙色光控制以改变神经元活动。在激活细胞中的FLiCRE后，研究人员在小鼠进入特定房间时通过光纤植入装置发送橙色光。作为回应，老鼠离开了那个房间，这表明FLiCRE确实在大脑中找到了驱动回避行为的细胞。
一个梦想的项目
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中的许多专业。因此，研究人员说，该工具有广泛的应用前景，包括在大脑外的细胞中。
Ting说:“我在2016年来到斯坦福，希望能够开展这样跨学科的合作项目。”“这个项目是我搬到斯坦福大学后收获最大的方面之一——我看到了这种具有挑战性和雄心勃勃的东西实际上实现了。”
研究人员现在正在研究FLiCRE的其他版本，目的是简化这个过程。他们希望简化其结构，并使其能够处理其他生化事件，如蛋白质相互作用或神经递质释放。
Ting实验室的前博士后学者马特奥·桑切斯(Mateo Sanchez)也是这篇论文的主要作者之一。其他作者是Paul Hoerbelt, Lief E. Fenno和Robert Malenka，普利兹克精神病学和行为科学教授，南希普利兹克实验室主任和吴氏神经科学研究所副主任。deis血清，是陈博士的教授，生物工程，精神病学和行为科学的教授;也是斯坦福Bio-X和吴氏神经科学研究所的成员。婷是斯坦福Bio-X的成员，母亲和amp;儿童健康研究所(MCHRI)，斯坦福癌症研究所和吴氏神经科学研究所，以及斯坦福化学h的研究员。
这项研究由沃尔特诉和伊敦贝瑞博士后奖学金计划,EMBO长期博士后奖学金,国家精神卫生研究所,斯坦福大学精神病学,吴蔡神经科学研究所,国家药物滥用研究所,美国国防高级研究计划局Neuro-FAST计划,无关基金会Wiegers家族基金,南希和詹姆斯Grosfeld基金会h·l·斯奈德医学基金会,撒母耳和贝琪Reeves基金盖茨比基金会(Gatsby Foundation)、AE基金会(AE Foundation)、费森尤斯基金会(Fresenius Foundation)和陈-扎克伯格Biohub。
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