利用MRI，工程师们找到了一种检测大脑深处光线的方法

科学家经常用发光的蛋白质标记细胞，使他们能够跟踪肿瘤的生长，或测量细胞分化时发生的基因表达变化。

虽然这种技术在细胞和身体的某些组织中效果很好，但很难将这种技术应用于大脑深处的成像结构，因为光在被检测到之前散射太多。

麻省理工学院的工程师们现在想出了一种新方法来检测大脑中的这种光，称为生物发光：他们设计了大脑的血管来表达一种蛋白质，使它们在光的存在下扩张。然后可以通过磁共振成像（MRI）观察到这种扩张，使研究人员能够精确定位光源。

“我们在神经科学以及其他领域面临的一个众所周知的问题是，在深层组织中使用光学工具非常困难。我们研究的核心目标之一是提出一种以相当高的分辨率对深层组织中的生物发光分子进行成像的方法，“麻省理工学院生物工程，脑与认知科学以及核科学与工程教授Alan Jasanoff说。

Jasanoff和他的同事们开发的新技术可以使研究人员比以前更详细地探索大脑的内部运作。

Jasanoff也是麻省理工学院麦戈文脑研究所的副研究员，是该研究的资深作者，该研究今天发表在 《自然生物医学工程》杂志上。前麻省理工学院博士后Robert Ohlendorf和Nan Li是该论文的主要作者。

检测光

生物发光蛋白存在于许多生物体中，包括水母和萤火虫。科学家使用这些蛋白质来标记特定的蛋白质或细胞，其发光可以通过光度计检测到。通常用于此目的的蛋白质之一是荧光素酶，它有多种形式，以不同的颜色发光。

Jasanoff的实验室专门开发使用MRI对大脑进行成像的新方法，他们希望找到一种方法来检测大脑深处的荧光素酶。为了实现这一目标，他们提出了一种将大脑血管转化为光探测器的方法。一种流行的MRI形式通过对大脑中血流的变化进行成像，因此研究人员设计了血管本身，通过扩张来对光做出反应。

“在功能性MRI和其他非侵入性成像技术中，血管是成像对比的主要来源，因此我们认为我们可以通过光敏化血管本身，将这些技术对血管成像的内在能力转化为成像光的手段，”Jasanoff说。

为了使血管对光敏感，研究人员对它们进行了改造，以表达一种名为 Beggiatoa光活化腺苷酸环化酶（bPAC）的细菌蛋白。当暴露在光线下时，这种酶会产生一种叫做cAMP的分子，它会导致血管扩张。当血管扩张时，它会改变含氧和脱氧血红蛋白的平衡，它们具有不同的磁性。磁性这种变化可以通过MRI检测到。

BPAC对波长较短的蓝光有特异性反应，因此它可以检测近距离内产生的光。研究人员使用病毒载体将bPAC基因特异性地传递到构成血管的平滑肌细胞。当这种载体被注射到大鼠体内时，整个大脑大面积的血管变得对光敏感。

“血管在大脑中形成一个非常密集的网络。大脑中的每个细胞都在血管的几十微米范围内，“Jasanoff说。“我喜欢描述我们的方法的方式是，我们基本上将大脑的脉管系统变成一个三维相机。

一旦血管对光敏感，研究人员就植入了经过工程改造的细胞，如果存在一种叫做CZT的底物，则表达荧光素酶。在大鼠中，研究人员能够通过MRI对大脑进行成像来检测荧光素酶，这揭示了扩张的血管。

跟踪大脑的变化

然后，研究人员测试了他们的技术是否可以检测大脑自身细胞产生的光，如果它们被设计为表达荧光素酶。他们将一种称为GLuc的荧光素酶的基因传递到称为纹状体的深部大脑区域的细胞中。当将CZT基质注射到动物体内时，MRI成像揭示了发光的部位。

Jasanoff说，这种技术被研究人员称为使用血流动力学或BLUsH的生物发光成像，可以以多种方式使用，以帮助科学家更多地了解大脑。

首先，它可以通过将荧光素酶的表达与特定基因联系起来来绘制基因表达的变化。这可以帮助研究人员观察基因表达在胚胎发育和细胞分化过程中的变化，或者新记忆形成时的变化。荧光素酶还可用于绘制细胞之间的解剖学连接或揭示细胞如何相互交流。

研究人员现在计划探索其中一些应用，并调整该技术用于小鼠和其他动物模型。

该研究由美国国立卫生研究院、G. Harold 和 Leila Y. Mathers 基金会、Lore McGovern、Gardner Hendrie、Brendan Fikes、德国研究基金会的奖学金、欧盟的 Marie Sklodowska-Curie 奖学金以及 Y. Eva Tan 奖学金和 J. Douglas Tan 奖学金资助，均来自麦戈文脑研究所。