FLARE技术提供神经元活动快照

2018-05-15

em来自麻省理工学院和斯坦福大学的研究人员开发出了一种方法,可以在神经元变得活跃时标记神经元,基本上可以在瞬间提供他们活动的快照。这种方法可以提供比当前细胞标记技术更高的时间精度,从而在几小时或几天的时间窗口内捕获活动,从而为神经元功能提供重要的新见解。 / em

很多认知过程,如决策,都会在几秒钟或几分钟内发生。神经科学家渴望在这样的任务中捕捉神经元活动,但这个梦想一直难以捉摸 - 直到现在。

“思想或认知功能通常持续30秒或一分钟。这就是我们希望能够捕捉到的范围,“麻省理工学院脑与认知科学系助理教授Kay Tye说,他是Picower学习和记忆研究所的成员,也是高级研究员之一研究的作者,其出现在Nature Biotechnology / em在6月26日。

泰设想这个工具可以用来帮助破译学习和记忆中涉及的神经回路,以及许多其他的可能性。

她与前麻省理工学院教授Alice Ting一起开发了这项技术,他现在是斯坦福大学遗传学和生物学教授,同时也是本文的资深作者。该论文的第一作者是斯坦福大学博士后文理王。

梦工具

Ting在麻省理工学院期间,她和Tye经常一起沿着查尔斯河跑。大约五年前的一天,他们正在讨论他们的梦想项目。 “爱丽丝说,'如果你有任何不存在的工具,你会有什么?'我说我希望能够在功能上定义神经元的种群,然后研究它们,”泰伊回忆说。

现有的工具允许研究人员设计细胞,以便当神经元打开一个称为cfos的基因,这可以帮助细胞响应新的信息时,他们还开启了人工引入的荧光蛋白或其他标记分子的基因。该系统的设计使得只有当动物暴露于能够激活系统的药物时,该标签才会发生,从而让科学家控制时间 - 但不是非常精确的控制。

“这些依赖于活动的工具已经产生了巨大的影响,但这些工具只能在几天的时间内工作,”Tye说。 “如果你考虑神经编码的速度,它会以毫秒的速度运行。我想要的是一个工具,我们可以在给定时刻对活动进行快照。“

研究人员设计了自己的工具来对钙做出反应,因为神经元每次发出电脉冲时都会感受到钙离子流。然而,只有当钙通量发生时,神经元才被标记,同时细胞也暴露于由研究人员提供的蓝光束。

这种光照与钙活性的结合触发了转录因子的激活,该转录因子启动了研究人员将其设计到细胞基因组中的目标基因。该基因可编码荧光蛋白或任何可用于标记或操纵神经元的物质。

在这项研究中,研究人员演示了他们称之为FLARE的技术,他们在跑步机上跑动时在小鼠的运动皮层神经元中打开一个名为mCherry的红色荧光蛋白。

这种方法也可以用于标记细胞与光敏蛋白,这将允许目标神经元受光遗传学控制,或新的蛋白质称为DREADDS,允许使用小分子药物控制神经元。重要的是,因为所有的工具组件都可以使用病毒载体传递,所以该工具可以用于任何模型生物体。

快速标记

Tye说,能够标记并操纵在特定任务期间处于活动状态的神经元组,开启了以前不可能的广泛研究。例如,研究人员可以调查大脑做出快速决策时会发生什么情况,对与强烈情绪相关的刺激做出反应,或者确定哪些行为适合当前情况。

对于这种研究,具有快速工作的工具尤为重要,因为同一神经元可能在不同时间参与不同的任务。该技术的当前版本可以在几分钟内标记神经元。

“这只是第一代工具,但我们已经能够获得非常严格的标签,”泰伊说。 “现在我们有一些我们可以合作的东西。我们处在神经活动时间精确度的惊人范围内。“

“一种可靠而精确地标记和控制在特定想法或行为中活跃的一组神经元的技术将对系统和电路神经科学产生难以置信的影响。这篇论文是朝着这一梦想技术迈出的重要一步,“南加州大学生物科学和神经生物学助理教授Andrew Hires说,他没有参与这项研究。 “FLARE文件中体外数据的特异性非常清晰,表明将会有非常小的脱靶效应。”

Tye说,这种工具对研究和治疗疾病也很有用。例如,科学家可以利用它来识别引起阿尔茨海默氏病的病变神经元,这可能使他们能够确定需要治疗的神经元,同时仅留下附近的健康神经元。

“我真正兴奋的事情是我们现在可以做的事情的可能性,”泰伊说。 “它开放了整个地区,让人们能够探索。”

这项研究部分由JPB基金会,美国国立心理健康研究所和美国国立卫生研究院的新创新者奖所资助。

出版物:Wenjing Wang等,“用于成像和操纵激活的神经元的光和钙门控转录因子”,Nature Biotechnology(2017)doi:10.1038 / nbt.3909

来源:麻省理工学院新闻Anne Trafton