日前，北京大學生命科學學院李毓龍研究組聯合多個研究組開發的兩種新型神經遞質探針，可以精確地實時檢測多種生物的特定神經遞質——乙醯膽鹼或多巴胺的「一舉一動」。相關論文分別於7月9日、7月12日在國際學術期刊《自然·生物技術》和《細胞》在線發表後，在國內外同行中引發關注。
兩種探針有何「過人之處」？它們如何準確追蹤原本看不見、摸不著的神經遞質？
神經遞質看不見、摸不著，傳統檢測方法存在不足
李毓龍是乙醯膽鹼論文的共同通訊作者、多巴胺論文的通訊作者，同時在北大生命科學學院、北大清華生命科學聯合中心和PKU—IDG/麥戈文腦科學研究所擔任研究員。他介紹說，人的大腦由數十億個神經元（也稱神經細胞）組成，神經元通過數萬億的突觸組成複雜的神經網絡。不同種類的神經元經過或遠或近的投射，通過突觸與其他神經元進行信息交流，實現感知、決策和運動等高級神經功能。
「神經遞質是介導神經元信息傳遞的化學活性小分子，在突觸傳遞中扮演著『信使』的角色。」李毓龍說，乙醯膽鹼是研究史上第一種被鑑定出來的神經遞質，與肌肉收縮、學習記憶、注意等行為相關，能維持意識清醒、調節肌肉收縮、激素分泌、鞏固和強化記憶等；多巴胺在中樞神經系統中負責調控一系列關鍵的神經功能，包括學習記憶、注意力集中和運動控制等。「如果這兩種神經遞質活動異常，會導致一系列精神疾病或神經退行性疾病，如阿爾茨海默症、多動症、精神分裂症、帕金森氏症等。這些神經遞質看不見、摸不著，要想進一步了解它們的生理功能及其在疾病中的作用，就必須通過特定檢測方法對它們在特定行為中的動態變化進行精確識別、跟蹤。」李毓龍說。
傳統的檢測方法，主要是通過微透析對腦脊液進行採樣並生化檢測、通過碳纖電極進行記錄等。「這些檢測手段存在一定缺陷，難以滿足研究的需求。」李毓龍說，其主要弊端是：缺乏足夠的時間和空間解析度，檢測特定神經遞質的特異性不夠高，難以精確反映神經遞質的真實動態信息，「開發新型神經遞質檢測工具，是國際神經科學的重大課題。」
把神經遞質動態變化轉化為直觀的螢光信號
「我們的研究思路是，用生物體內源進化產生的特異性神經遞質受體來感知神經遞質信號。」李毓龍介紹說，螢光蛋白是水母等生物體內能被可見光激發產生螢光的蛋白，通過將螢光蛋白與特異性神經遞質受體進行分子水平的融合，從而讓這些受體結合神經遞質後發出螢光信號。這樣就可以通過螢光成像的方法，實時追蹤這些原本看不見摸不著的神經遞質，神秘莫測的神經遞質動態變化轉變成了直觀、易測的螢光信號。
開發新型探針，最大難題是如何讓神經遞質受體和螢光蛋白這兩個來源於不同物種的分子成功偶聯並報告受體接受神經遞質的信號。針對這一難題，李毓龍研究組進行了大規模的突變篩選，從而獲得了具有較高螢光響應的探針。
為更好研究乙醯膽鹼在生理和病理過程中起到的作用，研究組與合作者應用新開發的乙醯膽鹼探針，在小鼠多個腦區的急性腦片體系中成功檢測出了內源的乙醯膽鹼釋放，闡明了乙醯膽鹼釋放是如何受到突觸前神經元活性的調節，以及其在生理情況下的空間作用範圍，從而為該領域長久以來的爭論提供了直接的實驗證據。同時，研究組成功實現了在活體果蠅的嗅覺系統中檢測出其內源乙醯膽鹼對嗅覺信息的編碼，發現了小鼠視覺皮層神經元中的乙醯膽鹼在注意性視覺刺激時的動態變化。這一系列工作為了解乙醯膽鹼在不同生理情況下的釋放及其功能提供了良好的範例。
在乙醯膽鹼探針初具效力的基礎上，李毓龍研究組又花了兩年多時間，開發、優化具有可基因編碼特性的多巴胺探針，並進行了一系列應用。通過轉染、病毒注射以及構建轉基因動物等手段，他們將探針表達在細胞、小鼠腦片或者活體果蠅、斑馬魚、小鼠中。實驗結果表明，就算探針長時間停留在生物體內，也不會對生物的生長狀態造成明顯影響。利用該探針，他們檢測到了用電刺激小鼠腦片後所引發的多巴胺釋放，並在活體果蠅、斑馬魚和小鼠的大腦中檢測到了與嗅覺刺激、視覺刺激、學習記憶、交配行為相關的多巴胺信號變化。
螢光探針將為精準醫療與新型藥物研發提供幫助
兩種新型探針，優勢何在？
乙醯膽鹼探針研究論文的共同第一作者、北京大學博士井淼介紹，新型探針擁有基因編碼、高靈敏性、高特異性、快速的動力學反應等優勢，令不可捉摸的神經遞質變化情況變得更加直觀易測、準確靈敏高效。
而據多巴胺探針研發論文的共同第一作者、李毓龍實驗室博士孫芳妙介紹，傳統手段無法實現同時對多個神經元感受神經遞質信息的記錄，而新型探針可以做到。
乙醯膽鹼探針與多巴胺探針工作原理幾乎一致，兩者都是基於人源神經遞質受體，將神經遞質結合受體所引發的受體構象變化轉化為螢光信號的變化。這表明該探針的原理方法、發展策略具有可推廣性，為今後大規模開發其他神經遞質、神經調質探針奠定了紮實的研究基礎。
密西根大學教授、神經科學專家許獻忠說：「這無疑是神經科學研究的一個突破，可能會揭示令人興奮的發現。我們迫不及待地想在我們的系統中測試它，而類似的方法可以用來設計其他神經遞質的探針。我很興奮，期待看到更多這樣的探針開發。」
「這是一個大家期待許久的重要突破，我非常期待大家應用這個工具取得新的研究成果。」中國科學技術大學教授、神經生物學家畢國強認為，研究者巧妙地利用了天然的神經遞質受體與螢光蛋白結合，再利用大規模突變篩選，研發出這個能夠直接把神經遞質信號轉換為螢光信號的高效探針，為整個領域提供了一個「非常酷」而且有用的工具。
李毓龍表示，新型神經遞質探針的開發為該領域帶來了急需的工具和手段，有助於了解神經遞質在特定疾病中的變化，從而為未來的精準醫療和新型藥物研發提供了新路徑。
原標題：神經「信使」，不再隱形（解碼·發現）