可觀察、控制神經活動的黑科技來襲

科學家在研究大腦時，一直有一個問題——所觀察到的神經活動是否真的與外部行為相關聯？研究人員對神經元活動的分子、細胞和生物物理學機制已有深入了解，但是將這些神經元活動機制與外部行為關聯起來仍是極具挑戰性的難題。

佛羅里達普朗克神經科學研究所（MPFI）研究組組長Hyungbae Kwon博士表示：「我們已經非常了解神經元的生物物理特性，但對於神經元間的連接和通信如何觸發我們的行為卻還不清楚。」

為了解決這一問題，Kwon博士實驗室發明了「鈣-光誘導基因處理工具箱」（鈣-光系統），並將結果發表於《自然-生物技術》（NatureBiotechnology）雜誌上。利用該工具，研究者可以觀察、控制行為背後的神經活動，並且有望確定神經元活動與行為的因果關係。

圖1：鈣—光系統示意圖

目前，研究人員常用鈣成像技術實時觀察神經活動，該技術基於神經活動時鈣離子內流，通過使用熒游標記鈣離子就可以實時觀察神經活動，但是不能觀察特定的神經元活動。基於傳統的鈣成像和光遺傳技術，鈣-光系統將熒光基因表達與神經活動和光聯繫在一起。

原理如圖1：M13碳末端與鈣調蛋白（calmodulin）氮末端分別連接TEV 蛋白酶（TEV-C 和TEV-N），當胞漿內Ca2+濃度升高時，M13與鈣調蛋白結合，隨後TEV-C 和TEV-N獲得蛋白酶活性。但是由於TEV序列末端有Jα-螺旋，在黑暗環境下TEV蛋白酶不能識別TEV序列。藍光可以改變Jα螺旋構象從而將TEV序列暴露，TEV蛋白酶可將tTA切下來。tTA進入細胞核中啟動熒光基因表達。這樣只有在開藍光時神經元才會發熒光，大大地提高了信噪比和特異性。研究人員若將鈣-光系統使用在特定的神經元上，就可以使用光遺傳學技術控制這些神經元。這樣尋找特定行為與神經元活動之間的關係也就成為了可能。

圖2

為了檢測鈣-光系統的有效性，Kwon博士團隊分別在細胞和動物模型上進行檢驗。在細胞上，證實了只有在光和鈣內流時才會出現熒光基因表達。在小鼠模型上（如圖2），他們先確定、標記、控制部分運動皮質區神經元，當小鼠有踩踏板的興趣時，通過光遺傳學工具抑制有關神經元活動，小鼠就不再踩踏板。這就表明這些神經元與踩踏板有關。

這一新技術可以史無前例地標記特定動作相關神經元並提供控制神經元的手段。Kwon博士提到「鈣-光系統給我們提供了解析複雜行為、知覺、認知的機會，同時也提供解決更複雜神經科學問題的途徑」。

翻譯來源：

https://medicalxpress.com/news/2017-06-technique-visualize-neural-underlie behavior.html

參考文獻：Nat Biotechnol.2017 Jun 26. doi: 10.1038/nbt.3902.

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