血清素是一種神經化學遞質，在大腦控制思想和感覺的方式中起著關鍵作用。許多抗抑鬱藥就是通過改變神經元之間的血清素信號傳遞生效。在最近發表於《細胞》雜誌的一篇文章中，美國國立衛生研究院資助的研究人員說明了他們如何利用先進的基因工程技術將細菌蛋白轉化為精確監測血清素傳遞的新型傳感器。臨床前實驗證實，這種傳感器不僅可以監測在睡眠、恐懼和社交活動中小鼠大腦血清素水平細微的實時變化，還可以測試精神活性藥物的有效性。研究由加州大學戴維斯醫學院首席研究員Lin Tian博士領導。
目前的血清素監測方法只能測出血清素信號的大概變化。而在新研究中，研究人員藉助人工智慧將一種類似捕蠅草形狀、可以捕捉營養物質的細菌蛋白質重新設計，改造成一種高靈敏度的傳感器，當它捕捉到血清素時會發出螢光。這種細菌蛋白質被稱為OpuBC，通常能捕獲營養膽鹼（膽鹼的形狀與乙醯膽鹼相似）。研究人員使用機器學習算法幫助計算機「想」出了25萬個新傳感器的設計方案。經過三輪測試，科學家們確定了最終方案。
實驗表明，傳感器能夠可靠地檢出大腦中不同水平的血清素，而且對其他神經遞質或類似形狀藥物幾乎沒有反應。在小鼠腦切片上的實驗表明，該傳感器對突觸通訊點神經元之間發送的血清素信號有反應。同時，在皮氏培養皿中進行的細胞實驗表明，該傳感器可以有效地監測藥物引起的信號變化，包括古柯鹼、MDMA（也稱搖頭丸）和幾種常用的抗抑鬱藥物。
上述結果意味著，新發明可以幫助科學家在更自然的條件下研究血清素的神經傳遞過程。例如，研究人員觀察到小鼠清醒時血清素水平會按照預期上升，入睡時血清素水平又會相應下降，而當小鼠最終進入深度睡眠狀態時，血清素水平下降得更為明顯。傳統檢測方法則會忽略這些變化。又比如，科學家們還發現，當小鼠受到鈴聲驚嚇時，兩個不同的大腦恐懼迴路中，血清素水平的變化是不同的。在內側前額葉皮質迴路中，鈴聲觸發血清素水平迅速升高，而在基底外側杏仁核迴路中，神經遞質水平則略有下降。
研究人員計劃向其他科學家提供該傳感器。他們希望新技術可以幫助研究人員更好地了解血清素在日常生活和精神疾病中所起的關鍵作用。
科界原創
編譯：小貝
審稿：西莫
責編：陳之涵
期刊來源：《細胞》
期刊編號：2073-4409
原文連結：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-12/nion-ass122320.php
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