观察和控制神经活动的新工具

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。这种被称为快速光和钙调节表达(fflash)的工具，可以被送入任何细胞内执行各种研究任务，包括标记、记录和控制细胞功能。

“这项工作达到了神经科学的一个中心目标:你如何找到支撑思想或认知过程的神经元系统?”神经科学家们一直想要这种类型的工具，”斯坦福大学医学院遗传学教授和人文科学学院生物学教授Alice Ting说，她的团队与斯坦福大学精神病学家和生物工程师Karl Deisseroth的实验室共同领导了这项工作。

在概念验证实验中，详细内容在12月11日发表的一篇论文中细胞，研究人员使用flire捕捉了与小鼠回避行为相关的神经活动的快照。通过将flre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单一细胞类型，仅使用遗传工具是无法获得的。然后，他们将flire与一种视蛋白(一种由deisseroth开发的用于用光控制神经活动的蛋白质)结合使用，在一天后重新激活这些神经元，这导致小鼠避免进入某个房间。研究人员研究的大脑区域被称为伏隔核，被认为在包括抑郁症在内的人类精神疾病中发挥着重要作用。

模块化分子技术

flire由两条分子成分链组成，它们对蓝光和钙的存在做出反应。这种对光的敏感性使研究人员能够精确地控制实验的时间，而钙几乎是细胞活动的普遍指标。为了让flire进入细胞，研究人员将其分成两部分，放入一种无害的病毒中。flre的一部分连接到细胞膜它含有一种蛋白质，可以进入细胞核，并驱动研究人员选择的任何基因的表达。flre的另一部分负责在某些特定条件下释放蛋白质，即钙的浓度很高，细胞沐浴在蓝光下。

现有的标记技术需要数小时才能激活，而flre标记过程只需几分钟。研究人员还设计了flre，这样他们就可以使用标准的基因测序来找到被flre激活的细胞。这使得他们可以一次研究数万个细胞，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flre注射到细胞中伏隔核并使用视蛋白激活与小鼠回避行为相关的神经通路。一旦含有flire的细胞中的钙含量激增——这是小鼠在躲避某物的细胞信号——这些细胞就会发出一种通过显微镜可见的永久红色。研究人员还对细胞的RNA进行了测序，以确定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出如何实现大脑区域这是一个非常棘手的问题，”斯坦福大学遗传学博士后学者、该论文的联合主要作者克里斯蒂娜·金说。“flre的美妙之处在于，我们可以在一个区域内脉冲和激活神经元，然后记录所有连接的下游神经元。这是一种观察远距离大脑活动联系的很酷的方式。”

在接下来的实验中，研究人员使用了第一个实验中的细胞活动图。他们还调整了flre，使蛋白质表达视蛋白，这种视蛋白可以通过橙色光来控制，从而改变神经元的活动。在激活细胞中的flire后，每当小鼠进入某个房间时，研究人员就会通过光纤植入物发出橙色的光。作为回应，老鼠避开了那个房间，这表明flire确实定位了大脑中驱动回避行为的细胞。

梦想项目

flre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，该工具具有广泛的可能应用，包括在细胞研究人员说，在大脑之外。

“我在2016年搬到斯坦福大学，希望能够开展这样一个非常跨学科和合作的项目，”Ting说。“这个项目是我搬到斯坦福大学最有意义的方面之一——看到如此具有挑战性和雄心勃勃的事情真的实现了。”

研究人员现在正在研究flre的其他版本，目标是简化这一过程。他们希望简化其结构，并使其能够与其他生化事件一起工作，如蛋白质相互作用或神经递质释放。

---

---