发光帮助科学家研究动物大脑中单个神经元的功能

资料来源：阿列克谢·卡什佩斯基（Alexey Kashpersky）（kashpersky.com）

可以发光的活生物体并非罕见。这些是萤火虫，细菌和带有蠕虫的水母，更不用说深海鱼类和其他动物了。发光有助于这些生物吸引猎物，进行交流或只是照亮它们旁边的空间。范德比尔特大学的一个科学家团队设法为他们的发光设备服务。科学家已经获得了一种经过遗传修饰的酶形式，该酶引起人体细胞的生物发光，并借助其“教导”大脑细胞发光。

该项目的目的是确保大脑神经元在其运作过程中的生物发光。根据科学家的说法，这可以更好地理解简单生物的大脑原理，从而可以理解更复杂的动物的大脑原理。

现代科学家已经掌握了跟踪单个大脑神经元的技术。但是这些技术有许多限制。例如，在他们的帮助下，您只能跟踪特定数量的神经元的工作。人脑中有860亿个以上，因此现有的电生理方法不允许同时监视此复杂器官的所有部门的工作。也许修饰的荧光素酶将在不久的将来帮助解决这个问题。

一个研究小组在《自然通讯》杂志上发表了他们的工作成果。基础是发光领域（该团队先前研究了单细胞藻类衣藻）和光遗传学领域专家的先前研究结果。

光遗传学是一种研究神经细胞工作的技术，其基础是在其细胞膜中引入了特殊的通道-视蛋白，该蛋白对光的激发作出反应。基因工程方法用于表达通道。为了随后激活或暂停神经元及其网络的活动，使用了激光，光纤和其他复杂的光学设备。光遗传学于2005年出现。然后，科学家首先将视蛋白称为Channelrodopsin-2（channelrhodopsin-2，ChR2）。

光遗传学与使用电生理方法研究神经网络的情况相比，它不仅可以观察到更多的神经元。它还开辟了高度选择性激活或抑制某些神经元连接的可能性。专家说，这将有助于为帕金森氏症，抑郁症，焦虑症和癫痫症提供有效的治疗方法。当使用光遗传学方法时，科学家通常使用荧光。

负责这项研究的生物学教授卡尔·约翰逊（Carl H. Johnson）表示，应使用生物发光代替荧光。荧光细胞产生的光被观察所需的照明所抑制。科学家说，发光在黑暗中起作用。问题也是考虑到需要将荧光物质引入每个神经元，将荧光物质引入科学家感兴趣的大脑所有部门并非那么简单。

因此，科学家发现了另一种方法。他们从发光类型的虾体内获取了萤光素酶，并对其进行了基因修饰，以便在钙分子存在下萤光素酶的发光活性开始出现。神经元中钙的浓度很高，但与此同时，脑细胞外的这种元素还不够。当神经元接收到信号时，钙浓度变为最大，这会导致受累细胞发光。由于这种病毒，这种修饰的酶能够附着在脑细胞上。有了它，科学家将酶引入了钙传感器，并将其引入了神经元。


得益于转基因酶的使用，单个神经元的发光已成为可能（来源：约翰逊实验室/范德比尔特大学）

到目前为止，已经针对实验室中生长的神经元以及小鼠海马切片开发了一项新技术。制备发光样品需要三个星期。在这两种情况下，神经元都在收到电信号后开始发光，导致钙浓度增加。科学家的成功还归因于最近已经创建了一种名为NanoLuc的新型荧光素酶。

“我们证明了我们的技术有效，”约翰逊说。“现在，我们需要确定它的敏感程度。我们相信，新方法足够准确，可以确定单个神经元的激活，但是为了验证这一点，我们需要进行其他测试。”

研究人员已经在AddGene资源上发布了有关转基因酶的信息。免费获得此信息。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN398725/