新技术允许研究人员测量活性神经元的电活动

通过在神经元中插入荧光蛋白，其发出不同强度的镜像电池内电活动的变化，Scients已经发现了一种新技术，使它们能够在活果蝇中精确地测量复杂的神经电路中的电信号。

耶鲁研究人员发现了一种新技术，使他们能够在生物体中测量遗传目标神经元的电力活动，了解大脑复杂语言的先决条件。该技术在8月8日期间描述的轴颈细胞中描述，涉及在果蝇的神经元中插入荧光蛋白，该果蝇响应电信号的变化并被光学传感器记录。“我们希望有一天我们将能够比较健康的辛辛利和患有病理条件的电气活动，”细胞和分子生理学副教授和本文的遗传学教授迈克尔Nitabach表示。

在Arclight的静止图像中，神经电路中的电活动水平以颜色表示，具有“较热”的颜色，表示更大的活动，并且为黑色表示最高级别。Arclight还允许在电路内的较小区域进行精确分析，如各种颜色“套索”和它们相关的电生理迹线所示。照片来源：礼貌迈克尔·尼加哈赫

当巴拉克·奥巴马总统宣布了1亿美元的神经科学倡议，通过推进4月份的创新神经技术（大脑），致以致力于大脑研究的倡议，“自然”称为“神经科学家的最终挑战”，但指出，“如果研究人员要有意义通过大脑电路的电信号狂热，他们需要从尽可能多的神经元同时录制，“通过可用技术急剧受到限制的能力。

但通过在神经元中插入不同强度的神经元的荧光蛋白来镜像在细胞内的电活动中的变化，现在已经通过在神经元中的荧光蛋白来实现这一挑战来满足这一挑战，从而使医学学派进行了重大的进步。如8月8日在线报告的汇率，使用光学探测器，科学家可以精确地测量复杂的神经电路中的电信号在生活果蝇中。

“电信号是神经系统用于传输信息的语言，”Vincent A. Pieribone说，Ph.D.，细胞和分子生理学教授和新纸的作者。“现在我们可以光学和非侵略性地查看这种电气信息。”

实现大脑的最终目标，“为了更好地了解[人类]如何考虑，学习和记忆”并对神经系统和精神病疾病应用这些见解，首先需要深入了解更简单的神经系统 - 蠕虫，苍蝇，苍蝇，苍蝇，例如，斑马鱼，或小鼠和电极的替代品，神经生理学家过去半个世纪的主食工具。记录电极“始终造成损坏，并被大脑拒绝，”Pieribone说，并且在生活系统中，有物理限制限制电极的数量和适当放置。

其他研究人员最近报道了斑马鱼神经活动的光学测量成功。­但是共同作者Michael N.Nitabach，Ph.D.，JD，细胞和分子生理学和遗传学副教授和遗传学，这些科学家使用的方法跟踪神经元钙水平，只提供了间接的电气量度活动，而耶鲁开发的工具提供精确，直接的措施。

Pieribone的专长是收集它们自然发生的荧光蛋白，例如深海热带鱼类。当以所谓的遗传编码荧光电压指示蛋白（GEVIS）在神经元中表达时，这些蛋白质可以作为电活动的视觉指示剂。Pieribone和其他神经科学家在过去的15年里一直是工程Gevis，但是当从细胞文化转移到活动物的大脑时，他们都竟然是DUD。Nitabach表示，“没有一个信号尺寸”是有用的，也有用，也是细胞神经科学，神经变性和修复的程序的教师联盟。

细胞纸上描述的GEVI被称为arclight，有一个偶然的突变，“偶然出现，如松干，”Pieribone说。这种遗传改变给出了芳曲线的强大且精致的敏感荧光信号，该信号直接反映了所表达的神经元的膜电压：当电压升高时，它变得调光，当电压减小时更亮。

基因工程，响应电压变化而发光的大脑可能似乎足够自行创新，但是Pieribone知道arclight如果它反映了大脑活动以及神经科学研究中的金标准，则只能有用。为此，Pieribone与Nitabach合作，是果蝇神经系统的专家果蝇果蝇Melanogaster。

多年来筛选数百种荧光结构，当他和Nitabach进行初步实验时，Pieribone被震惊。“我们第一次在果蝇中录制arclight我认为痕迹必须有些不对劲，因为他们看起来太好了，”Pieribone说。“你很少得到那些事情的惊喜，在那里工作比想象更好。”

Nitabach和Pieribone决定在一组神经元中表达arclight，这些神经元具有良好的特征和众所周知，可以调节飞行的昼夜节奏。在同时的电极记录和荧光神经元的光学成像中，它们表明，芳曲线的结果与使用线路戳神经细胞的结果一致。作为一个奖金，他们第一次被怀疑但没有被证明的东西，这些细胞的膜在早上比晚上更活跃。“这不能录制任何其他方式，”Nitabach说。“这就像打开未知的领土。”

芳型信号比钙探测器快，并且有微妙的电气事件对于神经处理，即钙的方法，甚至电极完全错过，甚至是尼特巴赫。行动潜力，神经元的莫尔斯代码被视为尖峰电压变化的录音，很重要，但是，沿神经分支的非尖峰信号传播和对神经元的突触输入没有达到阈值，以产生动作潜力的神经元包括略微理解但神经微积分的基本部分。当感兴趣的信号是来自神经元细胞体的二进制“尖峰或沉默”时，未检测到这些小电压波动，所以通过电极可获得神经元的唯一部分。

arclight允许术语成像神经元的分立部分，了解这种隐藏神经计算的关键。“很多信息处理和电气集成正在发生在牢房的远端部分，即你不能打开电极，”Nitabach说。“通过arclight，您可以直接在其他可接近地点测量膜电压。”也扩大了与电极相比的光学成像可以研究的神经体积，因为光可以深入渗透到脑组织而不会损坏它。

“直接看到大脑的电气活动是一个长期梦想，现在似乎有形似乎有形，”牛津大学神经元电路和行为中心主任MD说，以及细胞生物学的前副教授在医学院。虽然在耶鲁，Miesenböck开创性的光学学，使用光通过神经元中的基因编码的光敏组分来控制行为。Pieribone，Nitabach和同事所做的是Optibetics的侧面，使用光或荧光，以可视化神经活动，米森布塞呼叫“一个重要的里程碑”。虽然Arclight是目前最有利的GEVI，但MIESENBÖCK说，一个大挑战仍然仍然在改善光学仪器中，以便在空间和时间内更好地定位神经信号。

Pieribone设想了两条光学机构，以一种方式允许同时光学控制和记录神经系统。这款鸽子与大脑倡议的最终目标良好，创建了大脑的完整电路图。“现在我们有很多快照，但我们不知道神经系统如何从开始完成后处理事情，”Pieribone说。在相同的问题甚至可以为人体大脑中为人体大脑提取甚至可以为恒星或蠕虫进行苍蝇或蠕虫，需要了解整个环路，从感应的整体循环。

现在，这一前方的进展应该大大加速，因为Arclight苍蝇已分配给许多实验室，并且遗传构建体在线自由提供。Pieribone和Lawrence B. Cohen，Ph.D.，博士学位，细胞和分子生理学教授，都准备在小鼠脑中使用曲线释放结果。“arclight的突变结果是一个重创，”Pieribone说。“我觉得这代表了我们研究大脑的方式革命。”

出版物：Guan Cao等人，“完整神经电路的”基因靶向光学电生理学“，”2013年“细胞; DOI：10.1016 / J.Cell.2013.07.027

图像：礼貌迈克尔·尼加哈赫