神经元活动的光化学印迹:刺突的闪存

动欧宝娱乐地址物实验主要有两个主要功能。它们让我们深入了解生物系统是如何工作的，它们也充当了我们想要在自己身上使用的治疗方法和设备的试验台。在神经科学中，特别是在大规模记录方面，我们最终感兴趣的是将活动图与思想联系起来。开门见山地说，我们真正关心的不是动物的想法，也不是其他人的想法，而是我们自己产生的想法。如果我们要帮助一个截瘫患者做更多的事情，而不仅仅是使用电极针垫控制的外骨骼来为世界杯开球，我们不能简单地推断其他人的想法来为机器生成算法，相反，我们必须首先能够推断我们自己的想法。

当我们拥有这种能力时，动物实验中任何残留的姿势都应该迅速结束。与此同时，一些让我们更接近这个梦想的新进展尤其值得注意。之前我们讨论过艾德·博伊登的作品光场显微镜，并暗示更成熟传感器这种跟踪电压的快速变化，而不是较慢的钙动态，是充分利用该技术的力量所必需的。一群哈佛化学家刚刚发表了一篇论文美国化学学会杂志这描述了他们朝着这个目标所取得的进展。我问了通讯作者亚当·科恩几个关于他们研究的问题，他明智地要求我不要把这项工作夸大成大脑活动图谱的答案。

希望这里的介绍没有误导。我要指出的是，亚当论文的标题确实提到了用于神经元内印迹活动的“闪存”。这里的闪存显然不是缩小后放入神经元的闪存盘。它指的是一种电压感应蛋白，可以使用不同波长的光在各种稳定状态和平衡状态之间切换。“写”状态可以通过闪光来开启、保持，然后关闭，以积累电压信息。之后，根据Adam的说法，甚至在2分钟后，可以使用可调谐声光滤波器修补另一束，使传感器进入荧光的“读取”状态。

非常令人兴奋的东西，但至少在目前，传感器还没有我们希望的那么快或灵敏。尽管如此，这项技术可能会为我们现在使用的原始传感器提供一个重要的桥梁，在未来的异国情调的未知点分子几节或者活动条码技术实际上已经达到了严格的技术经济阶段bioRxiv的讨论。

记录来自大脑的信号实际上是一个两部分的问题。第一部分是感知和捕捉活动，第二部分是从头骨中获取信号。纸带是实现第一个目标的好方法，但对第二个目标却没有什么帮助。另一方面，闪存设备可以直接解决业务中一个迫在眉睫的严峻现实:虽然记录问题可能是局部的、小的、快速的，但从一个大规模并行的、仪器化的大脑中读取信号可能需要多得多的时间。正如我们在光场显微镜中所看到的，时间是至关重要的，特别是当你试图实时运行大量反褶积线程时。

什么闪存Concept提供了一种获取活动快照的方法，然后在读取时将其冻结。哈佛团队开发了至少两种不同的传感器，一种作为“采样-保持”设备，另一种使用“积分器”模式。在理想的采样-保持状态下，指示灯在灯关闭的确切时刻报告电压。亚当说，它们非常接近，但由于报告器的有限动力学，有一些模糊。积分器模式产生阶梯式信号，实际上可能更类似，反映累积的尖峰活动。我们可能应该注意到，在这一点上，单尖峰分辨率很难从积分器中提取。

为了使这项技术在神经元中很好地工作，还需要做更多的工作，只要将蛋白质定向到膜上的适当位置。电压传感器报告了细胞膜上的电位差，如果只是漂浮在导电细胞质周围，就不会产生信号。目前，该小组正在使用一种HEK细胞系他们设计的像神经元一样自发地产生尖峰。通过在这些细胞中表达钠和钾通道，它们可以获得相当好的上升时间(~4ms)的峰值，但在再次放电之前，持续时间更温和~300ms和~200ms的不应期。这些细胞可能具有一定的内源性离子泵送能力，但可能不具备神经元的全部能力。通过在HEK细胞中表达老空气紫红质3突变体库，然后筛选足够的电压敏感性，发现了传感器蛋白本身。

在特定的细胞组中表达可以完全通过光激活、灭活或灭活的工具可能很强大，但这是我们成功技术所需要的一切。博伊登的团队一直在开发一些有趣的新设备，以帮助我们实现我们的视觉神经遗产。这一目标的关键是微结构光导它可以用于精确的光传输。虽然通过电源在大脑深处产生光是可能的，但如果没有适当的体积，就很难产生具有严格控制属性的精心测量的脉冲。

通过使用先进的微加工材料和工艺(SU-8光刻胶、氧化氮化硅和二氧化硅等)，Boyden的团队可以创建不同刚度的特定3D几何形状，以便它们可以适应组织内的自然变形。他们还在使用自己的光可控传感器，特别是他们称之为光可控传感器的传感器lumitoxin。光照会导致这种化学光开关展开，从细胞表面分散，并从抑制中释放钾通道。让这些新型探针与神经元协调工作，而不给它们带来压力或中毒，对于有朝一日将这项技术应用于人类至关重要。“Lumitoxin”可能不是成功营销策略的完美品牌，但通过适当的投资和专注，许多人可能在一生中看到这项工作的成果。

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