《Nature》最快的神经成像钙指标

　　在Janelia开发的新型超高速传感器可以检测到钙离子，其速度几乎与神经元释放钙离子的速度一样快，使科学家能够提取出脑细胞之间传递的单个毫秒级信号。

　　

               

神经元成像用GCaMP钙指示剂综述。当它们感知到钙时，GCaMP指示物会导致神经元产生绿色荧光，使科学家能够看到活体动物在执行任务时哪些神经元和突触被激活，几乎和它们从神经元中释放的速度一样快。超高速的jGCaMP8指示器被用来跟踪L2神经元的反应，这些神经元是检测果蝇视觉系统中光强度变化的“关闭”通路的一部分。L2神经元在光线变暗和变亮时像素强度的变化。当光被关闭时，神经元去极化，钙浓度增加，GCaMP荧光增强。当灯亮时，神经元超极化，钙浓度下降，GCaMP荧光减弱。

在Janelia开发的新型超高速传感器可以检测到钙离子，其速度几乎与神经元释放钙离子的速度一样快，使科学家能够提取出脑细胞之间传递的单个毫秒级信号。被称为GCaMP的基因编码钙指标被用于跟踪活体动物中大量神经元的活动，通过揭示神经元之间传递信号时释放的钙离子。当它们感知到钙时，GCaMP指示物会导致神经元产生绿色荧光，使科学家能够看到活体动物在执行任务时哪些神经元和突触被激活。

自20多年前首次开发GCaMP指标以来，它们已经变得更加明亮和敏感。但即使是最先进的钙传感器也不够快，无法梳理出特定神经元被激活的单个信号。这使得科学家只能追踪大脑的神经元群和区域。现在，Janelia的研究人员已经创造了几个新版本的GCaMP传感器，它们几乎可以在神经元信号发生的同时捕捉到它们。新的jGCaMP8传感器比以前的GCaMP快近10倍，详细描述在3月15日发表在《Nature》杂志上的一项研究中。

jGCaMP8指标的超快速度，以及它们的高灵敏度，意味着科学家现在可以分离来自特定神经元的单个信号，使研究人员能够更好地理解当果蝇扇动翅膀、小鼠抖动胡须或鱼摆动鳍时所参与的大脑信号。

GCaMPs入门

自2006年以来，Janelia科学家一直致力于优化GCaMP传感器，由Looger、GENIE项目团队和与不同模式生物合作的密切合作者领导，包括前小组组长Karel Svoboda、机械认知神经科学高级小组组长和负责人Vivek Jayaraman、小组组长Glenn Turner和高级小组组长Misha Ahrens。据Looger说，该项目已经产生了更明亮、更敏感的指示器，被认为是在活体动物中同时成像大量神经元的最佳方法之一。

但是，尽管这些年来GCaMP指标在许多方面都有所改善，但速度并没有加快多少。当一个信号以大约2毫秒的速度在神经元之间传递时，GCaMP指示器会在大约50毫秒后产生一个信号，持续大约600毫秒。科学家们能够看到一组神经元被激活了，但他们无法梳理出组成信号的单个峰值。

“在这些时间尺度上，这是功能成像的一种新制度，”前Janelia小组领导人，现为加州大学圣地亚哥分校HHMI研究员的Loren Looger说。“现在你可以开始问一些问题，这些问题真正是神经计算是如何发生的。”

Janelia研究人员和其他团队试图制造更快的GCaMP指示器，但速度的提高是以灵敏度和亮度为代价的。六年前，Looger和Janelia高级科学家Yan Zhang决定再试一次。

               

动作电位变化示意图。这张示意图显示了皮层锥体神经元中膜电位(黑色)、钙离子(红色)、GCaMP6s荧光(绿色)和jGCaMP8f荧光(蓝色)在单个动作电位后的波形。jGCaMP8f比GCaMP6s更接近钙离子。

制作一个更快的GCaMP

研究小组首先研究了GCaMP指标的特殊结构。与钙结合的部分含有钙调蛋白和一种肽RS20。一旦与钙结合，钙调蛋白和RS20相互作用，产生蛋白质形状的变化，导致连接的绿色荧光蛋白(GFP)发出更亮的荧光。

钙调素和肽之间的相互作用控制了GCaMP传感器的速度。通过将RS20改变为另一种肽，研究小组认为他们可能能够加快这一指标。他们尝试了30种不同的肽，发现了一种能在不降低太多灵敏度的情况下加速GCaMP信号的肽。

接下来，研究小组试图通过交换蛋白质复合物的其他部分(称为“连接器”和“界面”)来提高灵敏度。他们与GENIE项目团队合作，在培养的神经元中测试了1000种不同的突变。四年后，他们终于有了一个超快的指示器，比以前的GCaMP更敏感。他们在2020年发布了最初的jGCaMP8传感器，有三种用于不同应用的变体。

“以前的GCaMP太慢了，无法捕捉整个神经元信号，”这篇新论文的主要作者Zhang说。“jGCaMP8的荧光信号上升时间要快得多，在某些应用中，它甚至有2毫秒的半上升时间。”由于速度的提高，传感器可以更精确地跟踪钙浓度的变化。“与之前加速GCaMP的尝试相反，这降低了灵敏度，新的jGCaMP8可以产生更高的灵敏度，因为它在神经元活动期间捕获更多的钙信号。”

艾伦研究所的神经科学家、这篇新论文的主要作者Márton Rózsa说，jGCaMP8传感器的灵敏度和速度的提高将使研究人员能够进行他们以前无法做的实验。以前的传感器只允许研究人员在记录神经元群体时看到活动的爆发，但jGCaMP8使他们能够在更大的范围内精确检测单个神经元的单个动作电位。

Rózsa说:“我们想了解大脑是如何处理信息的，如果我们不记录大脑中存在的所有信息，那么我们很可能会构建一个错误的模型。我们获得的信息越多，我们就能建立更好的模型，而这个传感器真的在推动我们朝着这个方向前进。”

Looger相信jGCaMP8的开发只能发生在像Janelia这样的研究机构，那里的实验室有共享资源和项目团队的支持——以及研究特定模式生物的实验室的主题专业知识——来承担需要时间、资源和来自许多不同人的专业知识的重大项目。

他说:“如果一个实验室试图自己做，那是不可能的，但即使有可能，它也会花费五倍的时间和五倍的成本。这真的需要像珍妮莉亚这样的地方。”