「神奇」納米探針成功監測神經元電信號變化!上海科學家合作研發新...

圖說：電壓納米探針的設計及其感應機理 來源/中科院腦科學與智能技術卓越創新中心 採訪對象供圖

新民晚報訊（記者 郜陽）日前，《美國化學會志》期刊在線發表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）杜久林研究組與中科院上海矽酸鹽研究所施劍林、步文博研究組的合作研究成果。該研究開發了一種可用近紅外光激發的電壓螢光納米探針，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，神經元鈣離子螢光成像是主要的手段之一。然而，相比於神經脈衝信號，鈣離子螢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衝的頻率和數量。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螢光分子探針，從而實現高時空解析度、大範圍神經元集群電活動的活體檢測。

現有的螢光電壓探針只能用紫外或可見光激發，因其在活組織中易於吸收和散射而只能應用於大腦淺層。相比於可見光或紫外光，紅外光在生物組織中穿透能力更強，穿透深度可達釐米量級，被稱為「生物組織的光學窗口」。因此，如何研發高靈敏的、並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託克斯發光納米材料。由於其深組織穿透度、低背景螢光、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，研究人員設計和製備了一種基於UCNPs的電壓敏感探針。

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，而以往開發的基於螢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，探針極易螢光淬滅，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螢光信號，並可在連續數次刺激下穩定記錄。進一步地，得益於UCNPs較低程度的淬滅，活體記錄時間可長達30分鐘，遠高於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；在動物趨於清醒時，慢波減弱甚至消失，取代以高頻電活動。基於鈣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，並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後，納米探針發光的低頻振蕩先減弱，高頻成分相對增強，在10分鐘後恢復至原有水平。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。

據介紹，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闢了實時動態監測的新方法。