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盘点现代神经科学中的新旧技术(上)

2016.10.10

在上世纪80年代中期,纽约大学神经科学研究所的神经科学家György Buzsáki就试图进入大鼠脑部。当时在加州大学圣地亚哥分校工作的他,用乙醚和低温来麻醉每只动物,穿过它的头皮,并在颅骨上钻孔。他小心地将16枚不锈钢镀金电极植入大鼠脑内。当他做这些手术时,这些直径只有0.5毫米的微小金属片,可让他测量来自大脑褶皱深处的单个神经元的电压变化,而所有的啮齿动物都处于清醒和移动的状态。当动物探索周围的环境,学习并记住它所遇见的事物时,他能记录到细胞的动作电位(J Neurosci,8:4007-26,1988)。相关阅读:Nature发布神经科学新技术:CNiFERs

在那些日子里,同时来自两个细胞的记录是常态。Buzsáki 在1988年发表的一项研究中,最多能够在一只大鼠中放置16个电极设备,是有史以来规模最大的。如今,科学家可以用硅多电极芯片,同时测量来自1000个神经元的电压变化。但是使用探针来测量大脑电生理学或脑电图的基本技术,在神经成像实验室中仍然是繁琐艰苦的。耶鲁大学医学院的神经学家Jessica Cardin说:“新工具不会取代旧的。它们只是添加了新的信息层。”

今天依然流行的另一项几十年的神经科学技术是膜片钳(patch clamping)。它是在20世纪70年代末和20世纪80年代初开发的,可以检测单个细胞,甚至是单个离子通道的电势变化。用一个小小的玻璃吸管吸细胞的细胞膜,研究人员可以做出一个小的撕裂,用吸管尖端密封,并检测细胞内的电压变化。随着一些改进――如电生理学和EEG,膜片钳一直是科学家的工具包的一部分。最近,研究人员用一台机器人来执行过程(Nat Methods,9:585-87,2012)。

然而,膜片钳是侵入性的,只记录单个细胞,并不能测量很长一段时间,因为该过程可能干扰细胞的正常运作。相反,半个世纪前,一些科学家使用一种更微创、更耐用和高吞吐量的方法:钙成像(J Cell Comp Physiol,59:223-39,1962)。当一个动作电位到达轴突末端时,钙离子向内生长。为了探测这一切是什么时候发生的,科学家们利用荧光分子与钙结合。

然而,最初的努力是笨拙的,只在90年代和21世纪初随着钙传感器和显微镜技术的提高,才使得这项技术人气飙升。现在,一种最流行的传感器是基因编码的钙指示剂(GECI)GCaMP6,由一种绿色荧光蛋白和钙结合蛋白钙调素融合而成(Nature,499:295C300、2013)。当一个神经元放电时,这些蛋白质会像闪电一样发出光。通过对动物头骨的一个区域进行细化,形成一个“颅窗”,科学家们可以观察到皮层的外层中是何时何地发生动作电位的。斯坦福大学医学院神经学家David Prince说:“你可以取一只活的和功能性的小鼠,头固定在一个点上。但是动物仍然可以在跑步机上跑。你可以在它的大脑中检测到荧光信号,并尝试将这些变化与它的行为变化联系起来。”

但是钙成像有其自身的缺陷。它只能测量在50 - 100毫秒的时间尺度上的电活动变化,而一个动作电位发生在短短的1毫秒内。另一方面,膜片钳和其他电极,可以测量单个动作电位。

为了不断探索大脑的神经网络,科学家们开发了一种新的技术来观察大脑的结构。例如去年,麻省理工大学的神经生物学家Ed Boyden和他的同事们介绍了扩展显微镜,它能使脑组织样本扩大到体积的100倍,同时保留其原有的分子排列。在加入鲜艳的色彩探针之后,这个团队影响了小鼠海马体的细胞和突触(Science,347:543-48,2015)。Boyden说,了解大脑的解剖,将更有助于揭示它是如何运作的。

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