人類的大腦中有860億左右的神經元，這些神經元通過相互連接，形成一套精密的控制系統，決定我們的所有行為。因此，神經元的電活動一直是神經科學家們探索大腦奧秘的重點關注對象。為了更準確，更全面地了解神經元電活動，從傳統的離體和在體電生理記錄，到鈣離子螢光成像技術，科學家們可謂是費盡心思。
電生理記錄是檢測神經元電活動最直接的手段，具有非常精準的時間解析度。但是它具有很明顯的缺陷，一來造成較大損傷，二來難以同時對大量神經元的群體活動進行檢測。 鈣離子成像是近年來檢測群體神經元活動的主要手段之一，但是與傳統的電極記錄相比，鈣離子螢光信號的時間解析度較差，很難推斷出與之對應的神經元動作電位的頻率和數量。而且，鈣離子螢光信號只能反映動作電位，不能反映出閾下的膜電位變化。為了克服這些不足，科學家們又將目光投向了對細胞膜電位變化敏感的電壓螢光探針，希望能夠實現對大範圍神經元集群電活動的高時空解析度檢測。
現有的螢光電壓探針一般都是通過紫外或可見光激發，在活體組織中極易被吸收和散射，因此只能檢測來自大腦淺層的信號。而紅外光（750 nm - 1000 nm）在生物組織中穿透能力更強，光毒性更小，如果可以使用紅外光激發，勢必將大大拓展神經元集群電活動研究的邊界。
新型螢光電壓探針問世
2020年4月8日，由中科院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、步文博研究組共同合作開發的一種新型可用近紅外激發並對電壓敏感的發光納米探針在《美國化學會志》期刊發表。這種新型的探針基於UCNP（稀土元素摻雜的上轉換納米顆粒），利用UCNP和DPA（六硝基二苯胺）之間的螢光共振能量轉移（FRET）原理來實現對神經元膜電位的變化的檢測（圖1）。
在靜息狀態下，膜電位外正內負，帶負電荷的DPA 在細胞膜外側聚集，UCNP 發光被 DPA 吸收；而當神經元去極化時，膜電位外負內正，DPA 在電場作用下在細胞膜內側聚集，UCNP 恢復發光。同時，由於 UCNP 螢光淬滅速度慢，對生物組織的損傷小，可以實現 30 分鐘以上連續的活體記錄。
Prime 95B 助力新型電壓螢光探針研究
神經元的電活動非常迅速，時間只有1-2毫秒左右，而螢光探針的螢光信號又相對比較微弱。因此，要檢測到這種微弱的FRET信號變化，需要高靈敏度和高幀率的檢測設備。在對比了一些 EMCCD 和 sCMOS 相機之後，Teledyne Photometrics背照式 sCMOS 相機 Prime 95B成為了科學家們的最終選擇。95%高量子效率和低讀出噪聲，高幀率的性能特點，使得Prime 95B能夠提供高信噪比，高時間解析度的優質圖像用於數據分析（圖2）。
圖2 電壓螢光探針檢測HEK293細胞膜電位變化。A：電壓螢光探針標記的HEK293細胞在100mV去極化脈衝刺激下的螢光信號變化偽彩圖像。B：電壓螢光探針對不同頻率去極化脈衝（黑）的響應（紅）C: B中的響應匯總 (Liu et. al.,2020)
利用這種新型的電壓敏感探針，該研究成功檢測了斑馬魚前腦神經元對食物刺激的反應，以及小鼠初級體感皮層在不同麻醉深度的神經元閾下膜電位活動。
工欲善其事，必先利其器。腦科學作為當前科學領域最熱門和最前沿的學科，勢必將在未來幾十年內得到長遠的發展，這和新型研究工具和技術的開發是密不可分的。Teledyne Photometrics 高端 sCMOS 相機也將繼續作為堅強的技術後盾，為最前沿的科學研究提供有力支持！
(該項工作由劉佳男博士後、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矽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。)
Reference
Near-Infrared Voltage Nanosensors Enable Real-Time Imaging of Neuronal Activities in Mice and Zebrafish，Jianan Liu,Rongwei Zhang, Chunfeng Shang, et.al., J. Am. Chem. Soc. 2020, 142 (17), 7858-7867.