在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，研究者長期面臨一個(gè)瓶頸：雖然現(xiàn)有技術(shù)能夠監(jiān)測(cè)神經(jīng)元發(fā)出的電信號(hào)（輸出），卻難以直接觀測(cè)神經(jīng)元接收的化學(xué)信號(hào)（輸入）。

這就像只能通過聽一個(gè)人說的話來猜測(cè)他的想法，卻無法得知他聽到了什么、是什么影響了他的回答。這種對(duì)突觸輸入信號(hào)接收與整合過程的不可見性，一直限制著我們對(duì)大腦信息處理根本機(jī)制的理解。

(來源：Nano Banana Pro)

12 月 23 日，針對(duì)這一問題，來自艾倫研究所（Allen Institute）和霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）珍利亞研究園區(qū)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，在 Nature Methods 期刊上發(fā)表了一項(xiàng)具有里程碑意義的成果。

他們成功研發(fā)出第四代遺傳編碼谷氨酸指示劑——iGluSnFR4。

（來源：Nature Methods）

這是一種新型的蛋白質(zhì)傳感器。使用它，如同為大腦植入了一套高靈敏度的“竊聽裝置”，使科學(xué)家首次能清晰、實(shí)時(shí)地捕捉神經(jīng)元接收信息的瞬間，并且看清關(guān)鍵的谷氨酸化學(xué)信號(hào)。

由于谷氨酸信號(hào)傳遞的紊亂是阿爾茨海默病、精神分裂癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的核心環(huán)節(jié)之一。這一突破對(duì)于它們的病理分析有著巨大幫助。

在此之前，神經(jīng)科學(xué)研究主要依賴鈣離子指示劑或電壓指示劑來記錄神經(jīng)活動(dòng)。這些工具雖然強(qiáng)大，但它們捕捉的往往是神經(jīng)元整合信息后的“結(jié)果”——即動(dòng)作電位或與之相關(guān)的鈣涌流。

然而，大腦的計(jì)算核心其實(shí)在于“過程”。數(shù)以千計(jì)的突觸前神經(jīng)元釋放神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸，這些化學(xué)信號(hào)跨越突觸間隙，作用于突觸后膜，經(jīng)過極其復(fù)雜的非線性整合，最終才決定了一個(gè)神經(jīng)元是否放電。

在這個(gè)微觀尺度上，舊有的技術(shù)顯得捉襟見肘：要么反應(yīng)太慢，無法分辨快速連續(xù)的信號(hào)；要么靈敏度太低，淹沒在背景噪音中；要么因?yàn)檫^快的光漂白，標(biāo)記了熒光蛋白的神經(jīng)元隨著激光照射，產(chǎn)生損耗變暗，而無法進(jìn)行長時(shí)程觀測(cè)。

為了攻克“看得慢”又“看不清”的兩大難題，由卡斯帕·波德戈?duì)査够↘aspar Podgorski）博士和杰里米·哈塞曼（Jeremy Hasseman）博士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，對(duì)早期的谷氨酸傳感器進(jìn)行了徹底的基因工程改造。

研究團(tuán)隊(duì)不再追求一個(gè)全能的傳感器，而是主動(dòng)設(shè)計(jì)出具有不同性能側(cè)重點(diǎn)的專用工具。由于傳感器的速度（結(jié)合與釋放谷氨酸的快慢）和靈敏度（信號(hào)亮度）在分子結(jié)構(gòu)上往往此消彼長。

于是，他們采用了組合突變篩選策略，像系統(tǒng)性地調(diào)整鐘表的齒輪一樣，對(duì)蛋白質(zhì)中影響其動(dòng)力學(xué)特性的關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行了數(shù)千種基因改造，并在培養(yǎng)皿中逐一測(cè)試這些變體的性能。

最終，他們鎖定了兩款性能迥異但互補(bǔ)的核心工具：iGluSnFR4f 和 iGluSnFR4s。

這里的后綴“f”代表快速（fast），而“s”代表慢速（slow）。

（來源 ：論文）

iGluSnFR4f 是為了極致的速度而生，它的失活時(shí)間常數(shù)僅為 26 毫秒。在小鼠的初級(jí)視覺皮層實(shí)驗(yàn)中，研究人員利用雙光子顯微鏡觀察到，當(dāng)小鼠受到視覺刺激時(shí)，這款傳感器能夠以極高的時(shí)間分辨率，清晰地分辨出單個(gè)突觸上連續(xù)發(fā)生的谷氨酸釋放事件。

即使是在以 100 赫茲的高頻進(jìn)行連續(xù)成像時(shí)，它依然能保持清晰的信號(hào)軌跡，沒有出現(xiàn)信號(hào)混疊。對(duì)于那些需要研究神經(jīng)編碼精確時(shí)間特性的實(shí)驗(yàn)來說，這無疑是一把鋒利的手術(shù)刀。

相比之下，iGluSnFR4s則走了一條不同的路線。它的失活時(shí)間較長，約為 153 毫秒，這使得它能夠整合更多的光子，從而產(chǎn)生更明亮的熒光信號(hào)。

這種高靈敏度使其成為觀測(cè)微弱信號(hào)或進(jìn)行大范圍群體記錄的理想選擇。

在針對(duì)腹側(cè)被蓋區(qū)（VTA）多巴胺能神經(jīng)元的研究中，科學(xué)家利用光纖光度法（Fiber Photometry）配合 iGluSnFR4s，成功記錄到了與獎(jiǎng)賞行為高度相關(guān)的群體谷氨酸信號(hào)波動(dòng)。

其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，其信噪比是上一代傳感器 iGluSnFR3 的數(shù)倍，這意味著研究者可以用更低的光功率獲得更清晰的數(shù)據(jù)，極大地降低了光毒性對(duì)腦組織的損傷。

這項(xiàng)技術(shù)讓“看不見”變成了“清晰可見”。

在顯微鏡下，這些被標(biāo)記的神經(jīng)元樹突棘不再是靜止的結(jié)構(gòu)，而是隨著信息的流入閃爍著光芒，如同夜空中的點(diǎn)點(diǎn)繁星。

艾倫研究所的波德戈?duì)査够┦坑靡粋€(gè)生動(dòng)的比喻描述這一突破：“以前，我們就像在讀一本單詞被完全打亂的書，根本無法理解句子的結(jié)構(gòu)和含義?，F(xiàn)在，我們終于把單詞之間的連接線畫了出來，理解了它們排列的順序，也就讀懂了大腦原本想要表達(dá)的故事?！?/p>

為了驗(yàn)證這套工具在活體動(dòng)物中的實(shí)際效能，研究團(tuán)隊(duì)在小鼠的觸須桶狀皮層（Barrel Cortex）進(jìn)行了一系列嚴(yán)苛的測(cè)試。

眾所周知，嚙齒類動(dòng)物通過快速擺動(dòng)觸須來感知世界，這種感官輸入的頻率極高，對(duì)傳感器的響應(yīng)速度提出了巨大挑戰(zhàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，iGluSnFR4f 展現(xiàn)出了驚人的動(dòng)態(tài)捕捉能力。

當(dāng)小鼠自由揮動(dòng)觸須觸碰物體時(shí)，傳感器精準(zhǔn)地記錄下了每一次觸碰引發(fā)的谷氨酸釋放，即便是間隔極短的連續(xù)觸碰也能被清晰區(qū)分。而在過去，這類高頻信號(hào)往往會(huì)被舊型傳感器模糊成一團(tuán)無法解析的持續(xù)光斑。

圖 | 小鼠視覺皮層中iGluSnFR4的表征 （來源：論文）

更令人興奮的是，這項(xiàng)技術(shù)揭示了大腦處理信息時(shí)的空間特異性。在視覺皮層的實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，同一根樹突上的不同棘突（Spine）會(huì)對(duì)不同方向的運(yùn)動(dòng)光柵產(chǎn)生反應(yīng)。

得益于新工具的高信噪比和低背景噪音，科學(xué)家們不僅能看到哪些棘突在活躍，還能精確定位它們的空間分布，甚至觀察到相鄰?fù)挥|之間是如何保持功能獨(dú)立的。這種在單突觸分辨率下進(jìn)行的“功能性連接組學(xué)”研究，在此前幾乎是不可想象的。

當(dāng)然，從實(shí)驗(yàn)室的培養(yǎng)皿到復(fù)雜的活體大腦，每一步跨越都充滿了挑戰(zhàn)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)在篩選過程中不僅要考慮傳感器的亮度與速度，還要兼顧其在膜表面的表達(dá)水平以及對(duì)正常生理過程的干擾。

他們發(fā)現(xiàn)，通過引入特定的膜定位序列（如NGR序列），可以將這些傳感器更精準(zhǔn)地錨定在突觸后膜的表面，直接面對(duì)突觸間隙中釋放的谷氨酸洪流。這種分子層面的精巧設(shè)計(jì)，確保了傳感器既能敏銳捕捉信號(hào)，又不會(huì)因?yàn)檫^度搶占受體而影響神經(jīng)元正常的突觸傳遞。

這一工具的問世，其影響遠(yuǎn)不止于基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域。對(duì)于藥物研發(fā)而言，它提供了一個(gè)全新的篩選平臺(tái)。許多神經(jīng)精神類疾病，如抑郁癥、自閉癥和癲癇，都被認(rèn)為與谷氨酸信號(hào)系統(tǒng)的失調(diào)有關(guān)。

過去，藥企在篩選新藥時(shí)，往往只能通過觀察細(xì)胞死亡率或整體電生理變化來評(píng)估藥效，這些指標(biāo)既宏觀又滯后。

而現(xiàn)在，利用 iGluSnFR4，研發(fā)人員可以直接觀察藥物分子如何影響突觸層面的谷氨酸傳遞效率。這就配備了一副高倍望遠(yuǎn)鏡，讓他們能直接看到藥物是否擊中了靶心。

參考資料

論文地址：10.1038/s41592-025-02965-z

運(yùn)營/排版：何晨龍