照亮黑暗大腦的一點(diǎn)光。

NEUREALITY

要問(wèn)神經(jīng)科學(xué)史上最需要什么，大腦可能會(huì)說(shuō)：要有光。

想想你看過(guò)的那些絢爛的神經(jīng)元照片吧：通過(guò)熒光蛋白標(biāo)記的神經(jīng)元發(fā)出五顏六色的光，最終構(gòu)成一幅大腦的彩虹。這就是所謂的brainbow技術(shù)，如今在它的幫助下，我們已經(jīng)能夠清晰看到神經(jīng)元是如何發(fā)育和連接的。讓神經(jīng)細(xì)胞有這樣的成像效果，在以前簡(jiǎn)直不可想象。

brainbow技術(shù)

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圖片來(lái)源：Dr Jeff Lichtman, Harvard University

讓神經(jīng)元發(fā)光

這一切還要從能夠自然發(fā)光的水母說(shuō)起。在上世紀(jì)60年代，日本科學(xué)家下村修對(duì)水母中的發(fā)光蛋白很感興趣，并成功分離出了能發(fā)出藍(lán)色熒光的“水母素”（需要鈣離子參與）。不久后，他注意到了另一種可以在紫外線下發(fā)出綠色熒光的蛋白，即綠色熒光蛋白（以下簡(jiǎn)稱GFP）。

然而，在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，GFP一直默默無(wú)聞。一方面，當(dāng)時(shí)提純GFP的代價(jià)太高，另一方面，科學(xué)界并不認(rèn)為GFP本身就可以發(fā)出熒光。直到1994年，馬丁·查爾菲（Martin Chalfie）的線蟲(chóng)研究登上《科學(xué)》雜志的封面。查爾菲的研究組用GFP成功標(biāo)記了線蟲(chóng)的一部分神經(jīng)元，用以追蹤神經(jīng)系統(tǒng)的遷移和發(fā)育。他們的研究表明，GFP的熒光并不需要外源性底物和輔因子。

用GFP標(biāo)記線蟲(chóng)部分神經(jīng)元的研究登上《科學(xué)》雜志封面

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圖片來(lái)源：《科學(xué)》雜志

至此，GFP的特性已經(jīng)真相大白：在GFP的238個(gè)氨基酸中，有三個(gè)氨基酸形成了一種能夠發(fā)出熒光的結(jié)構(gòu)。在查爾菲之后，綠色熒光蛋白終于開(kāi)始被科學(xué)界廣泛使用。

但“調(diào)色盤”里只有綠色這一種，未免有點(diǎn)可惜。對(duì)此，華裔科學(xué)家錢永健對(duì)GFP進(jìn)行了系統(tǒng)改造，并最終開(kāi)發(fā)了能夠發(fā)出紅色和青色等顏色的增強(qiáng)型熒光蛋白。2008年，下村修、查爾菲和錢永健因?yàn)閷?duì)GFP的開(kāi)創(chuàng)性工作，共同獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

在這些研究的基礎(chǔ)上，哈佛大學(xué)的杰夫·利希曼（Jeff W. Lichtman）等人繼續(xù)為調(diào)色盤添磚加瓦，2007年brainbow終于誕生。通過(guò)隨機(jī)組合熒光蛋白的三四種顏色的比率，這種技術(shù)可以產(chǎn)生數(shù)百種不同的色調(diào)，從而讓不同細(xì)胞表現(xiàn)出不同的顏色。如今，神經(jīng)科學(xué)家們借助它研究小鼠、果蠅和斑馬魚(yú)等動(dòng)物模型的神經(jīng)系統(tǒng)，并試圖繪制出映射大腦連接的腦連接組。

光學(xué)腦成像的革命

在對(duì)熒光蛋白粗略了解一番后，讓我們將目光再放回一個(gè)世紀(jì)以前，當(dāng)代神經(jīng)科學(xué)的開(kāi)端。

通過(guò)在光學(xué)顯微鏡下觀察染色的神經(jīng)細(xì)胞，卡米洛·高爾基（Camillo Golgi）和圣地亞哥·拉蒙·卡哈爾（Santiago Ramóny Cajal）為我們揭開(kāi)了神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的冰山一角，并由此獲得了1906年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。但兩人在當(dāng)時(shí)可謂針?shù)h相對(duì)：網(wǎng)狀理論的支持者高爾基堅(jiān)持認(rèn)為，所有神經(jīng)細(xì)胞都構(gòu)成一個(gè)連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)；“神經(jīng)元學(xué)說(shuō)”的支持者卡哈爾卻認(rèn)為，神經(jīng)細(xì)胞是離散的。事實(shí)證明，卡哈爾是對(duì)。1950年，電子顯微鏡的觀察表明，中樞神經(jīng)系統(tǒng)中存在單個(gè)神經(jīng)元，而神經(jīng)元之間則有稱為“突觸”的間隙。

作為當(dāng)代神經(jīng)科學(xué)之父，卡哈爾為我們留下了大量極具洞見(jiàn)和美感的手繪神經(jīng)元

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圖片來(lái)源：Beautiful Brain:The Drawings of Santiago Ramony Cajal

自網(wǎng)狀理論偃旗息鼓后，神經(jīng)科學(xué)也走上了一個(gè)新的研究尺度：不斷升級(jí)的光學(xué)腦成像技術(shù)，終于能讓我們更細(xì)致地觀察大腦了。

光學(xué)腦成像，即通過(guò)光學(xué)方法對(duì)大腦結(jié)構(gòu)或功能進(jìn)行成像的技術(shù)。這種技術(shù)所需的圖像由熒光信號(hào)產(chǎn)生，除了熒光蛋白標(biāo)記這樣的生物手段，化學(xué)標(biāo)記（帶有熒光集團(tuán)的有機(jī)物）也是常用的方法。此外，當(dāng)代神經(jīng)科學(xué)開(kāi)發(fā)出的多種顯微鏡技術(shù)，例如熒光顯微鏡和共聚焦顯微鏡，都可以應(yīng)用在光學(xué)腦成像中。

光學(xué)腦成像的主要優(yōu)勢(shì)在于記錄范圍廣和時(shí)空分辨率高等，由于其高分子特異性和單分子敏感性而被廣泛使用。借助這種技術(shù)，我們可以密切觀察活體大腦，展開(kāi)基礎(chǔ)腦功能及疾病的臨床及動(dòng)物研究，從而理解諸如決策、情感和記憶等大腦功能。

如今，神經(jīng)科學(xué)已經(jīng)成為最有前景的領(lǐng)域之一，從當(dāng)下熱門的人工智能和腦機(jī)接口，到教育和醫(yī)療等，神經(jīng)科學(xué)已表現(xiàn)出相當(dāng)大的應(yīng)用潛力。而在神經(jīng)科學(xué)研究中，光學(xué)腦成像技術(shù)無(wú)疑是繞不開(kāi)的重要工具。如果你想從事神經(jīng)科學(xué)研究，或者想要開(kāi)發(fā)新的技術(shù)手段，我們的長(zhǎng)期合作伙伴ViaX鹽趣，3月將聯(lián)合斯坦福大學(xué)博士后研究員開(kāi)展線上小班課-WORKSHOP，在一定程度上能幫你掌握所需的研究方法。

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光學(xué)腦成像

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參考文獻(xiàn)

1.https://embryo./pages/green-fluorescent-protein

2.https://pubs./en/content/articlehtml/2009/cs/b917331p

3.Chalfie, M., Tu, Y., Euskirchen, G., Ward, W. W., & Prasher, D. C. (1994). Green fluorescent protein as a marker for gene expression. Science, 263(5148), 802-805.

https://www./paper/Green-fluorescent-protein-as-a-marker-for-gene-Chalfie-Tu/e8b5c07fae8e094408383a6aafc529a054173bf4

4.Weissman, T. A., & Pan, Y. A. (2015). Brainbow: new resources and emerging biological applications for multicolor genetic labeling and analysis. Genetics, 199(2), 293-306.

5.Zhu, X., Xia, Y., Wang, X., Si, K., & Gong, W. (2017). Optical brain imaging: a powerful tool for neuroscience. Neuroscience bulletin, 33(1), 95-102.

6.Fishman, R. S. (2007). The nobel prize of 1906. Archives of ophthalmology, 125(5), 690-694.

7.Hillman, E. M. (2007). Optical brain imaging in vivo: techniques and applications from animal to man. Journal of biomedical optics, 12(5), 051402.

8.http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3415205&do=blog&id=1183324

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