Science發布革命性熒光標記技術
日期：2015-02-13 08:53:14
霍華德·休斯醫學研究所的科學家們開發了一個革命性的新工具，可以在動物大腦中永久性標記神經元活動。在神經元激發鈣離子流入時，這個工具（熒光蛋白CaMPARI）會從綠色變為紅色。此前，研究者們需要在正確的時間用顯微鏡聚焦正確的細胞才能觀察到神經元活動，現在這個永久性的熒光標記為他們帶來了解放。
對鈣離子敏感的GCaMP能夠根據神經活性發出熒光信號，被用來跟蹤神經網絡的動態。但GCaMP的信號是暫時的，如果顯微鏡沒有及時對準正確的大腦細胞，研究者很容易錯過信息。而CaMPARI能夠超越顯微鏡視場的限制，幫助人們分析大范圍腦組織的神經活動。這個新工具還允許人們在更復雜的行為中成像神經活動，因為它可以用于自由活動的動物。
“這一技術最吸引人之處在于，動物在實驗中不需要一直處于顯微鏡下，” 霍華德·休斯醫學研究所的Loren Looger說。
Looger、Eric Schreiter及其同事在二月十三日的Science雜志上發表文章，向人們展示了CaMPARI在果蠅、斑馬魚和小鼠中標記神經回路活動的能力。
研究人員從熒光蛋白Eos開始打造CaMPARI。Eos本來發綠色熒光，但紫色光照會永久改變該蛋白，使其發紅色熒光。隨后研究人員整合了對鈣離子敏感的鈣調蛋白，讓顏色改變依賴于伴隨神經活動的鈣離子流。
研究人員花了一年多時間調整這個蛋白，提高它的亮度和響應能力，確保它能在細胞和活體動物中正常工作。最終他們將這個熒光蛋白命名為CaMPARI（calcium-modulated photoactivatable ratiometric integrator）。
CaMPARI的熒光改變需要紫色光照，實驗者可以根據這一點在追蹤神經活動期間進行控制。“當動物做出我們關心的行為時打開紫光，當動物停止這個行為時關掉紫光，”Schreiter解釋道。“這樣我們就能捕捉到，動物做出相應行為時的神經活動。”
研究人員通過一系列實驗展示了CaMPARI的有效性。他們在斑馬魚游動的時候，跟蹤了整個大腦十秒種內的神經活動。運動神經元和其他參與游泳的神經元發紅色熒光，這與其他團隊的電生理學實驗結果一致。當研究人員改變水溫或擾亂水流的時候，神經元的激發模式會顯著改變。
研究人員還在果蠅中，用CaMPARI鑒定了應答特定氣味的神經元。研究顯示，不同氣味激活觸角葉中的不同神經元，這也符合其他團隊的研究結果。研究人員看到，直接應答氣味的神經元激活之后大腦其他區域的神經元陸續變紅，顯示了嗅覺回路的二級、三級甚至四級組分。這樣的實驗是很難在顯微鏡下進行的。
現在人們可以從Addgene獲得編碼CaMPARI的質粒，從Bloomington果蠅儲備中心獲得表達CaMPARI的轉基因果蠅。文章作者們的所在單位還提供表達CaMPARI的斑馬魚。
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