2015值得期待的技術：下一個科學突破
日期：2015-01-06 09:19:36
2014年Science雜志公布的十大科學突破中，有一項是關于“神經形態”芯片的，這是一種能被設計成能夠處理傳感器數據（圖像、聲音等）以及根據未編程的數據變化做出反應的芯片。其重點在于基于神經形態芯片的智能傳感器和設備，可用于病情的智能監測，從而使得健康監測系統可以監測追蹤病人的生命體征，及早發現潛在的風險，為病人提供個性化的治療手段。
而對于神經生物學家來說，肉眼觀察到活體，或者行為動物體內的神經元活性，也將有助于深入了解自然完整神經網絡中神經元的功能，這也許將能成為下一個科學突破。
基因編碼的電壓指示器能告訴我們細胞膜電位的波動，因此相比于鈣指標，更能直接反映神經元的活性。這種感應器與傳統的電生理技術不同，前者能在同一時間分析多種定義神經元的活性。但是盡管這一領域取得了一些最新進展，科學家們還是無法讓熒光電壓指示器在體內正常工作，尤其是在哺乳動物體內。
理想狀態下，這些傳感器將能在獲得高靈敏性的同時，完成快速反應動力學，并且還只需要低激光激發電源，以減少活體生物組織中的光毒性。具有這些特性的傳感器能無需多次試驗平均信號，記錄體內單個動作電位，而且良好的信號噪聲比也將有利于監測閾下事件，如興奮或抑制突觸后電位，這些沒有動作電位明顯。
近年來，電壓傳感器在許多體外應用中獲得了許多進步，但是利用活體動物電壓感應器的報道就很少，主要成果就是2013年美國NIH利用果蠅，第一次通過一種新型基因工程蛋白觀看到活體大腦中神經細胞電活性。
一般來說科學家們都是利用繁瑣的電極或有毒的電壓敏感染料來控制電，但是這項研究中發現了一種新型蛋白——基因編碼熒光電壓指示蛋白（genetically encoded fluorescent voltage indicators，GEVIs），利用這種蛋白，能令研究人員觀看到活體動物中的神經細胞電活性。研究人員將其稱為ArcLight，這種蛋白能隨著神經細胞的電壓變化而發出熒光，因此研究人員就能實時觀測到細胞中的電活性。
此外還有一種稱為Archer1 的蛋白，不過雖然近期研發出的感應器MacQ-mCitrine能改善ArcLight的特點，但是要想在活體小鼠中感受單個動作電位依然很困難。
科學家們希望在不久的將來能看到進一步的改進，幫助構建合適體內成像的電壓傳感器，這可能需要對現有傳感器進行調整，或設計完全新的裝備。基于成像的電壓傳感研究將能解答許多令人頭疼，但又十分關鍵的神經學問題。
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