科學家首次實時捕捉神經元接收信號，突破百年觀測瓶頸

在神經科學領域，研究者長期面臨一個瓶頸：雖然現有技術能夠監測神經元發出的電信號（輸出），卻難以直接觀測神經元接收的化學信號（輸入）。

這就像只能通過聽一個人說的話來猜測他的想法，卻無法得知他聽到了什么、是什么影響了他的回答。這種對突觸輸入信號接收與整合過程的不可見性，一直限制著我們對大腦信息處理根本機制的理解。

(來源：Nano Banana Pro)

12 月 23 日，針對這一問題，來自艾倫研究所（Allen Institute）和霍華德·休斯醫學研究所（HHMI）珍利亞研究園區的聯合團隊，在 Nature Methods 期刊上發表了一項具有里程碑意義的成果。

他們成功研發出第四代遺傳編碼谷氨酸指示劑——iGluSnFR4。

（來源：Nature Methods）

這是一種新型的蛋白質傳感器。使用它，如同為大腦植入了一套高靈敏度的“竊聽裝置”，使科學家首次能清晰、實時地捕捉神經元接收信息的瞬間，并且看清關鍵的谷氨酸化學信號。

由于谷氨酸信號傳遞的紊亂是阿爾茨海默病、精神分裂癥等神經系統疾病的核心環節之一。這一突破對于它們的病理分析有著巨大幫助。

在此之前，神經科學研究主要依賴鈣離子指示劑或電壓指示劑來記錄神經活動。這些工具雖然強大，但它們捕捉的往往是神經元整合信息后的“結果”——即動作電位或與之相關的鈣涌流。

然而，大腦的計算核心其實在于“過程”。數以千計的突觸前神經元釋放神經遞質谷氨酸，這些化學信號跨越突觸間隙，作用于突觸后膜，經過極其復雜的非線性整合，最終才決定了一個神經元是否放電。

在這個微觀尺度上，舊有的技術顯得捉襟見肘：要么反應太慢，無法分辨快速連續的信號；要么靈敏度太低，淹沒在背景噪音中；要么因為過快的光漂白，標記了熒光蛋白的神經元隨著激光照射，產生損耗變暗，而無法進行長時程觀測。

為了攻克“看得慢”又“看不清”的兩大難題，由卡斯帕·波德戈爾斯基（Kaspar Podgorski）博士和杰里米·哈塞曼（Jeremy Hasseman）博士領導的團隊，對早期的谷氨酸傳感器進行了徹底的基因工程改造。

研究團隊不再追求一個全能的傳感器，而是主動設計出具有不同性能側重點的專用工具。由于傳感器的速度（結合與釋放谷氨酸的快慢）和靈敏度（信號亮度）在分子結構上往往此消彼長。

于是，他們采用了組合突變篩選策略，像系統性地調整鐘表的齒輪一樣，對蛋白質中影響其動力學特性的關鍵區域進行了數千種基因改造，并在培養皿中逐一測試這些變體的性能。

最終，他們鎖定了兩款性能迥異但互補的核心工具：iGluSnFR4f 和 iGluSnFR4s。

這里的后綴“f”代表快速（fast），而“s”代表慢速（slow）。

（來源 ：論文）

iGluSnFR4f 是為了極致的速度而生，它的失活時間常數僅為 26 毫秒。在小鼠的初級視覺皮層實驗中，研究人員利用雙光子顯微鏡觀察到，當小鼠受到視覺刺激時，這款傳感器能夠以極高的時間分辨率，清晰地分辨出單個突觸上連續發生的谷氨酸釋放事件。

即使是在以 100 赫茲的高頻進行連續成像時，它依然能保持清晰的信號軌跡，沒有出現信號混疊。對于那些需要研究神經編碼精確時間特性的實驗來說，這無疑是一把鋒利的手術刀。

相比之下，iGluSnFR4s則走了一條不同的路線。它的失活時間較長，約為 153 毫秒，這使得它能夠整合更多的光子，從而產生更明亮的熒光信號。

這種高靈敏度使其成為觀測微弱信號或進行大范圍群體記錄的理想選擇。

在針對腹側被蓋區（VTA）多巴胺能神經元的研究中，科學家利用光纖光度法（Fiber Photometry）配合 iGluSnFR4s，成功記錄到了與獎賞行為高度相關的群體谷氨酸信號波動。

其實驗數據顯示，其信噪比是上一代傳感器 iGluSnFR3 的數倍，這意味著研究者可以用更低的光功率獲得更清晰的數據，極大地降低了光毒性對腦組織的損傷。

這項技術讓“看不見”變成了“清晰可見”。

在顯微鏡下，這些被標記的神經元樹突棘不再是靜止的結構，而是隨著信息的流入閃爍著光芒，如同夜空中的點點繁星。

艾倫研究所的波德戈爾斯基博士用一個生動的比喻描述這一突破：“以前，我們就像在讀一本單詞被完全打亂的書，根本無法理解句子的結構和含義。現在，我們終于把單詞之間的連接線畫了出來，理解了它們排列的順序，也就讀懂了大腦原本想要表達的故事。”

為了驗證這套工具在活體動物中的實際效能，研究團隊在小鼠的觸須桶狀皮層（Barrel Cortex）進行了一系列嚴苛的測試。

眾所周知，嚙齒類動物通過快速擺動觸須來感知世界，這種感官輸入的頻率極高，對傳感器的響應速度提出了巨大挑戰。實驗結果顯示，iGluSnFR4f 展現出了驚人的動態捕捉能力。

當小鼠自由揮動觸須觸碰物體時，傳感器精準地記錄下了每一次觸碰引發的谷氨酸釋放，即便是間隔極短的連續觸碰也能被清晰區分。而在過去，這類高頻信號往往會被舊型傳感器模糊成一團無法解析的持續光斑。

圖 | 小鼠視覺皮層中iGluSnFR4的表征 （來源：論文）

更令人興奮的是，這項技術揭示了大腦處理信息時的空間特異性。在視覺皮層的實驗中，研究人員發現，同一根樹突上的不同棘突（Spine）會對不同方向的運動光柵產生反應。

得益于新工具的高信噪比和低背景噪音，科學家們不僅能看到哪些棘突在活躍，還能精確定位它們的空間分布，甚至觀察到相鄰突觸之間是如何保持功能獨立的。這種在單突觸分辨率下進行的“功能性連接組學”研究，在此前幾乎是不可想象的。

當然，從實驗室的培養皿到復雜的活體大腦，每一步跨越都充滿了挑戰。研發團隊在篩選過程中不僅要考慮傳感器的亮度與速度，還要兼顧其在膜表面的表達水平以及對正常生理過程的干擾。

他們發現，通過引入特定的膜定位序列（如NGR序列），可以將這些傳感器更精準地錨定在突觸后膜的表面，直接面對突觸間隙中釋放的谷氨酸洪流。這種分子層面的精巧設計，確保了傳感器既能敏銳捕捉信號，又不會因為過度搶占受體而影響神經元正常的突觸傳遞。

這一工具的問世，其影響遠不止于基礎神經科學領域。對于藥物研發而言，它提供了一個全新的篩選平臺。許多神經精神類疾病，如抑郁癥、自閉癥和癲癇，都被認為與谷氨酸信號系統的失調有關。

過去，藥企在篩選新藥時，往往只能通過觀察細胞死亡率或整體電生理變化來評估藥效，這些指標既宏觀又滯后。

而現在，利用 iGluSnFR4，研發人員可以直接觀察藥物分子如何影響突觸層面的谷氨酸傳遞效率。這就配備了一副高倍望遠鏡，讓他們能直接看到藥物是否擊中了靶心。

參考資料

論文地址：10.1038/s41592-025-02965-z

運營/排版：何晨龍