麻省理工學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種新的磁共振成像( MRI )傳感器，這種傳感器通過(guò)跟蹤鈣離子，可以監(jiān)測(cè)大腦深處的神經(jīng)活動(dòng)。這一傳感器的實(shí)驗(yàn)將會(huì)為科學(xué)家們提供觀測(cè)大腦更有力的手段，將會(huì)促進(jìn)神經(jīng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)的深入發(fā)展。

其他類(lèi)型的MRI通過(guò)檢測(cè)血流的變化，獲得神經(jīng)元活動(dòng)的信息，而血流變化只是提供了神經(jīng)活動(dòng)的間接信號(hào)。 而鈣離子直接與神經(jīng)元活動(dòng)有關(guān)，這種新型感應(yīng)器可以讓研究人員將特定的大腦功能與其神經(jīng)元活動(dòng)模式聯(lián)系起來(lái)，并確定特定任務(wù)期間不同大腦區(qū)域之間的通信距離。

“鈣離子的濃度與神經(jīng)系統(tǒng)中的信號(hào)事件密切相關(guān)，”麻省理工學(xué)院生物工程、腦與認(rèn)知科學(xué)、核科學(xué)與工程系的教授Alan Jasanoff說(shuō)，他也是麻省理工學(xué)院McGovern大腦研究所的準(zhǔn)成員，也是該項(xiàng)研究中的資深研究人員。“我們?cè)O(shè)計(jì)了一種具有分子結(jié)構(gòu)的探針，可以檢測(cè)到與神經(jīng)活動(dòng)相關(guān)的細(xì)胞外的鈣離子的相對(duì)細(xì)微的變化。"

在大鼠實(shí)驗(yàn)中，研究人員表示，他們的鈣傳感器能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到由化學(xué)或電刺激引起的神經(jīng)活動(dòng)的變化，這種變化位于大腦中被稱(chēng)為紋狀體的部位的深處。

麻省理工學(xué)院的研究人員Satoshi Okada和Benjamin Bartelle是這項(xiàng)研究的主要作者，這項(xiàng)研究發(fā)表在4月30日的《自然納米技術(shù)》雜志上。其他作者包括Picower學(xué)習(xí)和記憶研究所的成員，大腦和認(rèn)知科學(xué)教授Mriganka Sur，研究助理李楠，博士后Vincent Breton-Provencher，前博士后Elisenda Rodriguez，Wellesley學(xué)院本科生李繼英以及高中生James Melican。

追蹤鈣離子

MRI是神經(jīng)科學(xué)研究中的支柱工具，它可以讓科學(xué)家識(shí)別特定任務(wù)中大腦的活躍部分。最常用的MRI類(lèi)型，稱(chēng)為功能性MRI，通過(guò)測(cè)量神經(jīng)活動(dòng)的間接標(biāo)志——腦血流量，來(lái)評(píng)測(cè)神經(jīng)活動(dòng)情況。Jasanoff和他的同事們想要設(shè)計(jì)一種方法，可以更加特異性且高分辨率的繪制神經(jīng)活動(dòng)模式，而這在基于識(shí)別血流變化的MRI技術(shù)中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

“能夠繪制深層組織中大腦活動(dòng)圖的方法依賴(lài)于血液流動(dòng)的變化，而血流會(huì)在許多不同的生理路徑中與神經(jīng)活動(dòng)相互影響，”Jasanoff說(shuō)，“因此，你最終看到的信號(hào)往往很難歸因于某個(gè)特定的因素。“

鈣離子流可以與神經(jīng)元活動(dòng)直接聯(lián)系起來(lái)。當(dāng)神經(jīng)元發(fā)出電脈沖時(shí)，鈣離子就會(huì)涌入細(xì)胞。大約十年以來(lái)，神經(jīng)科學(xué)家一直在用熒光分子標(biāo)記大腦中的鈣，并用傳統(tǒng)顯微鏡對(duì)其進(jìn)行成像。這種技術(shù)可以精確地跟蹤神經(jīng)元活動(dòng)，但它的使用僅局限于大腦的很小一部分區(qū)域內(nèi)。

麻省理工學(xué)院的研究小組開(kāi)始尋找一種磁共振的方法對(duì)鈣離子進(jìn)行成像，這種方法可以分析更大的組織體積。為了做到這一點(diǎn)，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種新的傳感器，可以對(duì)細(xì)胞外鈣濃度的細(xì)微變化作出反應(yīng)，并且其反應(yīng)可以被MRI檢測(cè)到。

這種新型傳感器由兩種粒子組成，當(dāng)有鈣離子存在時(shí)，這兩種粒子可以聚集集在一起。這兩種粒子中，一個(gè)是天然存在的鈣結(jié)合蛋白synaptotagmin，另一個(gè)是包裹在脂肪中的磁性氧化鐵納米顆粒，它可以結(jié)合synaptotagmin，但只有當(dāng)鈣離子存在時(shí)二者才能夠結(jié)合。

鈣的存在誘導(dǎo)這些顆粒聚集在一起，使它們?cè)贛RI圖像中顯得更暗。神經(jīng)元活性低時(shí)，神經(jīng)元外鈣離子含量高；當(dāng)鈣濃度下降時(shí)，意味著該區(qū)域的神經(jīng)元要發(fā)出電脈沖。

檢測(cè)大腦活動(dòng)

為了測(cè)試這些傳感器，研究人員將它們注射到大鼠紋狀體中（紋狀體是進(jìn)行計(jì)劃運(yùn)動(dòng)和學(xué)習(xí)新行為的區(qū)域）。然后他們給老鼠施加可以誘導(dǎo)短時(shí)間神經(jīng)活動(dòng)的化學(xué)刺激，觀察發(fā)現(xiàn)，鈣離子傳感器記錄了這一活動(dòng)。

他們還發(fā)現(xiàn)，這種傳感器可以捕捉大腦部分區(qū)域中與獎(jiǎng)賞相關(guān)的電刺激信號(hào)引發(fā)的活動(dòng)。

“這種方法為研究大腦功能提供了一種新的方式。” Max Planck生物控制論研究所的一個(gè)研究小組組長(zhǎng)辛宇說(shuō)。他并未參與該項(xiàng)研究。

“盡管我們?cè)谶^(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里積累了足夠的細(xì)胞內(nèi)鈣信號(hào)的知識(shí)，但很少有人確切研究細(xì)胞外鈣的動(dòng)態(tài)變化對(duì)大腦功能的貢獻(xiàn)，或者胞外鈣信號(hào)是如何指示大腦功能的。” 辛宇說(shuō)，“當(dāng)我們破譯像大腦這樣復(fù)雜且自適應(yīng)的系統(tǒng)時(shí)，每一條信息都很重要。"

目前的這種傳感器在最初的大腦刺激后幾秒鐘內(nèi)就會(huì)做出反應(yīng)，但研究人員正在想法使其響應(yīng)速度更快。他們還試圖改造傳感器，使這些顆粒可以擴(kuò)散到大腦更廣泛的區(qū)域，并能夠通過(guò)血腦屏障，這樣將能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器的輸送，而無(wú)需將它們直接注射到要測(cè)試的部位。

有了這種傳感器，Jasanoff希望能比現(xiàn)在更精準(zhǔn)的繪制出神經(jīng)活動(dòng)的模式。他說(shuō):“想象一下，你可以測(cè)量大腦中不同部位的鈣離子活性，并能?chē)L試判斷不同類(lèi)型的感覺(jué)刺激通過(guò)它們誘導(dǎo)的神經(jīng)活動(dòng)的空間形式進(jìn)行不同的編碼。”