压敏感探针可用近红外光监测大脑深层活动 为设计可用近红外光激发的电压敏感探针提供新思路

来源:科技日报 2020-04-22 14:53:40

为了监测神经活动进而理解神经系统的功能机制,科学家们研发了不少高大上的“武器”。

近日,《美国化学会志》期刊报道了一项新研究成果。研究人员开发了一种可用近红外光激发的电压荧光纳米探针,并用它成功监测了斑马鱼和小鼠脑中神经元膜电位的动态变化。活体监测时,这种新“武器”表现不俗。

设计电压敏感探针一直是个技术难关

群体神经元活动的在体监测是揭示神经系统功能机制的关键。目前,神经元钙离子荧光成像是主要手段之一。然而,相比于神经脉冲信号,钙离子荧光信号的动力学相对较慢,且很难推断出与之对应的神经脉冲的频率和数量。因此,神经科学界迫切期望能开发出对细胞膜电位变化敏感、有高信噪比的纳米粒子或分子探针,从而实现高时空分辨率、大范围神经元集群电活动的活体监测。

现有的荧光电压探针多用紫外光或可见光激发,由于这两种光在活组织中易于吸收和散射,因此它们只能应用于大脑浅层。相比于可见光或紫外光,红外光(750纳米—l000纳米)在生物组织中穿透能力更强,穿透深度可达厘米量级,能够应用于大脑深层,被称为“生物组织的光学窗口”。“因此,如何研发高灵敏、可用近红外光激发的电压敏感探针已成为目前国际神经科学领域迫切希望攻克的技术难关之一。”中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心/神经科学研究所研究员杜久林对科技日报记者说。

稀土元素掺杂的上转换荧光纳米颗粒(UCNPs)是一类近红外光激发,紫外、可见光多重发射的反斯托克斯发光纳米材料。所谓反斯托克斯,即指物质的发射光波长短于激发光波长的反常现象。由于上转换荧光纳米颗粒具有低背景荧光、多重发射的特性,已在生物成像与活体诊疗的应用中获得广泛关注。

在这项研究中,研究人员设计和制备了一种基于上转换荧光纳米颗粒的电压敏感探针。研究人员首先将上转换荧光纳米颗粒固定在细胞膜上,然后将六硝基二苯胺(DPA)嵌入细胞膜磷脂双分子层。在细胞静息状态下,带负电荷的六硝基二苯胺在细胞膜外侧富集,上转换荧光纳米颗粒与六硝基二苯胺之间距离在10纳米以内,形成发光共振能量转移效应(FRET),上转换荧光纳米颗粒发光被六硝基二苯胺吸收,检测到的光信号较弱。当细胞去极化后,六硝基二苯胺在电场作用下于细胞膜内侧富集,上转换荧光纳米颗粒与六硝基二苯胺之间距离超过10纳米,发光共振能量转移效应消失,从而恢复了上转换荧光纳米颗粒的发光。

探究活体组织中神经元活动有了新思路

为验证新研发的电压纳米探针在神经元电活动检测中的优势,研究人员应用该纳米探针分别监测了斑马鱼前脑神经元的嗅觉反应和小鼠新皮层神经元膜电位振荡随麻醉深度的变化。

神经元的电活动动态性强,以往开发的基于荧光蛋白的电压探针信噪相对较低,大都需要多次叠加才能得到清晰的感觉反应。同时,此类探针易被荧光淬灭,因此可记录时间窗口较短,限制了其实用性。

“我们运用新开发的电压纳米探针,研究了斑马鱼前脑神经元对食物刺激的反应。在近红外光激发下,单次施加食物刺激即可显著增强神经元的荧光信号,并可在连续数次刺激下稳定记录。更重要的是,得益于上转换荧光纳米颗粒较低的淬灭程度,活体记录时间可长达30分钟,为数据收集提供了充足的时间窗口。”杜久林向记者介绍。

哺乳动物神经元膜电位的阈下振荡,反映了动物个体的脑状态及其变化。在深度睡眠和麻醉状态下,脑状态主要是慢波;在动物趋于清醒时,慢波减弱甚至消失,代之以高频电活动。传统的钙离子成像反映的神经活动难以体现这种阈下膜电位振荡,研究人员在小鼠初级体感皮层中注入电压纳米探针,并考察了戊巴比妥麻醉不同深度下的神经元阈下膜电位活动。在深度麻醉状态下,纳米探针发光存在低频振荡现象,提示此状态下阈下膜电位以慢波为主。通过机械刺激小鼠尾巴提高其清醒水平后,纳米探针发光的低频振荡减弱,高频电活动相对增强,在10分钟后恢复至原有水平。此现象说明纳米探针的发光强度可真实反映脑电活动的相应变化。

对此,杜久林表示,这项研究为设计可用近红外光激发的电压敏感探针提供了全新思路,为探究深层活体组织中群体神经元活动开辟了实时动态监测的新方法。陆成宽

标签:纳米探针科技

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