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研制出近紅外激發的電壓納米探針,用于神經元電信號在體成像

發布時間:2020-04-14

  202048日,《美國化學會志》期刊在線發表了題為《近紅外電壓納米探針用于實時監控小鼠和斑馬魚神經活動》的研究論文,報道了中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(神經科學研究所)、上海腦科學與類腦研究中心、神經科學國家重點實驗室杜久林研究組與中國科學院上海硅酸鹽研究所施劍林、步文博研究組的一項合作研究成果。該研究開發了一種可用近紅外光激發的電壓熒光納米探針,成功監測了斑馬魚和小鼠腦中神經元膜電位的動態變化。 

  群體神經元活動的在體檢測是揭示神經系統功能機制的關鍵。目前,神經元鈣離子熒光成像是主要的手段之一。然而,相比于神經脈沖信號,鈣離子熒光信號的動力學相對較慢,且很難推斷出與之對應的神經脈沖的頻率和數量。因此,神經科學界迫切期望能開發出對細胞膜電位變化敏感、有高信噪比的納米粒子或熒光分子探針,從而實現高時空分辨率、大范圍神經元集群電活動的活體檢測。現有的熒光電壓探針只能用紫外或可見光激發,因其在活組織中易于吸收和散射而只能應用于大腦淺層。相比于可見光或紫外光,紅外光(750 nm - l000 nm)在生物組織中穿透能力更強,穿透深度可達厘米量級,被稱為“生物組織的光學窗口”。因此,如何研發高靈敏的、并可用近紅外光激發的電壓敏感探針已成為目前國際神經科學領域重點攻克的技術難關之一。 

  稀土元素摻雜的上轉換納米顆粒UCNPs)是一類近紅外光激發,紫外、可見光多重發射的反斯托克斯發光納米材料。由于其深組織穿透度、低背景熒光、多重發射的特性,已在生物成像與活體診療的應用中獲得廣泛關注。在該工作中,研究人員設計和制備了一種基于UCNPs的電壓敏感探針。首先將UCNPs固定在細胞膜上,然后將六硝基二苯胺(DPA)嵌入細胞膜磷脂雙分子層。在細胞靜息狀態下,帶負電荷的DPA在細胞膜外側富集,UCNPDPA之間距離在10 nm以內,因此形成發光共振能量轉移體系(FRET),UCNPs發光被DAP吸收,檢測到的光信號較弱。當細胞去極化后,DPA在電場作用下在細胞膜內側富集,UCNPDPA之間距離超過10 nm,FRET效應消失,從而恢復UCNPs的發光。 

  為驗證該電壓納米探針在神經元電活動檢測中的優勢,研究人員應用該納米探針分別檢測了斑馬魚前腦神經元的嗅覺反應和小鼠新皮層神經元膜電位振蕩隨麻醉深度的變化。神經元的電活動具有豐富的動態性,而以往開發的基于熒光蛋白電壓探針的信噪比較低,大都需要平均多次才能得到清晰的感覺反應。更嚴重的是,此類探針極易熒光淬滅,因此可記錄時間較短,嚴重限制了其實用性。應用新開發的電壓納米探針,研究人員研究了斑馬魚前腦神經元對食物刺激的反應。在近紅外光激發下,單次施加該食物刺激即可顯著增強神經元的熒光信號,并可在連續數次刺激下穩定記錄。進一步地,得益于UCNPs較低程度的淬滅,活體記錄時間可長達30分鐘,遠高于目前的蛋白分子探針。 

  哺乳動物神經元膜電位的閾下振蕩,反映了動物個體的腦狀態及其變化。在深度睡眠和麻醉狀態下,腦狀態主要是慢波;在動物趨于清醒時,慢波減弱甚至消失,取代以高頻電活動?;阝}離子成像所反映的神經活動難以體現這種閾下膜電位振蕩,研究人員在小鼠初級體感皮層中注入電壓納米探針,并考察了戊巴比妥麻醉不同深度下的神經元閾下膜電位活動。在深度麻醉狀態下,納米探針發光存在低頻振蕩現象,提示此狀態下閾下膜電位以慢波為主。通過機械刺激小鼠尾巴提高其清醒水平后,納米探針發光的低頻振蕩先減弱,高頻成分相對增強,在10分鐘后恢復至原有水平。此現象說明納米探針的發光強度可真實反映腦電成分的相應變化。 

  綜上所述,該工作為設計可用近紅外光激發的電壓敏感探針提供了全新思路,為探究深層活體組織中神經活動開辟了實時動態監測的新方法。 

  該項工作由杜久林組劉佳男博士后、張榮偉副研究員和尚春峰副研究員在杜久林研究員以及上海硅酸鹽研究所的施劍林研究員、步文博研究員的共同指導下完成。杜久林研究組的張俞博士、許兵博士以及蒲慕明研究組的馮蕓也做了重要貢獻。該工作得到國家自然科學基金委員會、科技部、中科院和上海市的資助。     

   

  圖注:電壓納米探針的設計及其感應機理。首先,UCNPs固定在神經元細胞膜上。其次,將六硝基二苯胺(DPA)嵌入細胞膜磷脂雙分子層。在神經元靜息狀態下,帶負電荷的DPA在細胞膜外側富集,UCNPDPA之間形成發光共振能量轉移體系(FRET),UCNPs發光被DAP吸收,檢測到的光信號弱。當神經元去極化后,DPA在電場作用下在細胞膜內側富集,FRET效應減弱,從而恢復UCNPs的發光。  

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