2015值得期待的技术：下一个科学突破

　　对于神经生物学家来说，肉眼观察到活体，或者行为动物体内的神经元活性，也将有助于深入了解自然完整神经网络中神经元的功能，这也许将能成为下一个科学突破。

　　生物通报道：2014年Science杂志公布的十大科学突破中，有一项是关于“神经形态”芯片的，这是一种能被设计成能够处理传感器数据（图像、声音等）以及根据未编程的数据变化做出反应的芯片。其重点在于基于神经形态芯片的智能传感器和设备，可用于病情的智能监测，从而使得健康监测系统可以监测追踪病人的生命体征，及早发现潜在的风险，为病人提供个性化的治疗手段。

而对于神经生物学家来说，肉眼观察到活体，或者行为动物体内的神经元活性，也将有助于深入了解自然完整神经网络中神经元的功能，这也许将能成为下一个科学突破。

基因编码的电压指示器能告诉我们细胞膜电位的波动，因此相比于钙指标，更能直接反映神经元的活性。这种感应器与传统的电生理技术不同，前者能在同一时间分析多种定义神经元的活性。但是尽管这一领域取得了一些最新进展，科学家们还是无法让荧光电压指示器在体内正常工作，尤其是在哺乳动物体内。

理想状态下，这些传感器将能在获得高灵敏性的同时，完成快速反应动力学，并且还只需要低激光激发电源（laser excitation power，生物通译），以减少活体生物组织中的光毒性。具有这些特性的传感器能无需多次试验平均信号，记录体内单个动作电位，而且良好的信号噪声比也将有利于监测阈下事件，如兴奋或抑制突触后电位，这些没有动作电位明显。

近年来，电压传感器在许多体外应用中获得了许多进步，但是利用活体动物电压感应器的报道就很少，主要成果就是2013年美国NIH利用果蝇，第一次通过一种新型基因工程蛋白观看到活体大脑中神经细胞电活性。

一般来说科学家们都是利用繁琐的电极或有毒的电压敏感染料来控制电，但是这项研究中发现了一种新型蛋白——基因编码荧光电压指示蛋白（genetically encoded fluorescent voltage indicators，GEVIs），利用这种蛋白，能令研究人员观看到活体动物中的神经细胞电活性。研究人员将其称为ArcLight，这种蛋白能随着神经细胞的电压变化而发出荧光，因此研究人员就能实时观测到细胞中的电活性。

此外还有一种称为Archer1 的蛋白，不过虽然近期研发出的感应器MacQ-mCitrine能改善ArcLight的特点，但是要想在活体小鼠中感受单个动作电位依然很困难。

科学家们希望在不久的将来能看到进一步的改进，帮助构建合适体内成像的电压传感器，这可能需要对现有传感器进行调整，或设计完全新的装备。基于成像的电压传感研究将能解答许多令人头疼，但又十分关键的神经学问题。

（生物通：张迪）

原文摘要：

In vivo voltage sensors

Genetically encoded voltage indicators are on the brink of allowing neuronal activity to be directly imaged in vivo.