鈣是大多數(shù)細(xì)胞的關(guān)鍵信號(hào)分子，在神經(jīng)元中尤其重要，對(duì)腦細(xì)胞中的鈣進(jìn)行成像可以很好地揭示神經(jīng)元如何相互溝通。然而，目前的成像技術(shù)只能穿透幾毫米的大腦，這顯然妨礙了人類對(duì)大腦的進(jìn)一步了解。

因此，針對(duì)這一問(wèn)題，麻省理工學(xué)院的研究人員近期發(fā)明了一種基于核磁共振成像技術(shù)的新方法，這種方法可以讓我們更深入地觀察大腦的磁共振活動(dòng)。利用這項(xiàng)技術(shù)，我們可以追蹤活體動(dòng)物神經(jīng)元內(nèi)部的信號(hào)傳遞過(guò)程，以此將神經(jīng)活動(dòng)與特定的行為聯(lián)系起來(lái)。

本文主要作者，麻省理工學(xué)院生物工程、大腦與認(rèn)知科學(xué)、核科學(xué)與工程學(xué)教授，麻省理工學(xué)院麥戈文腦科研究所研究中心副成員 Alan Jasanoff 說(shuō)：“這篇論文描述了首個(gè)基于磁共振成像檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)鈣信號(hào)的方法，它十分類似于在神經(jīng)科學(xué)中廣泛使用的成熟的光學(xué)方法，只是現(xiàn)在可以在深層組織中進(jìn)行這樣的檢測(cè)?！?/p>

進(jìn)入細(xì)胞

在靜息狀態(tài)下，神經(jīng)元的鈣含量非常低。然而，當(dāng)它們發(fā)出電脈沖時(shí)，鈣就會(huì)涌入細(xì)胞。在過(guò)去的幾十年里，科學(xué)家們已經(jīng)設(shè)計(jì)出用熒光分子標(biāo)記鈣的方法來(lái)描繪這種活動(dòng)。這可以在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的細(xì)胞中完成，也可以在活體動(dòng)物的大腦中完成，但這種顯微成像技術(shù)只能滲透到組織中的幾十分之一毫米，大多數(shù)研究?jī)H限于大腦表面。

“這些工具已經(jīng)做了很多了不起的事情，但是我們希望能夠讓我們自己和其他人更深入地了解細(xì)胞水平的信號(hào)，”Jasanoff 說(shuō)。

圖丨Alan Jasanoff（來(lái)源：MIT）

為了達(dá)到這個(gè)目的，麻省理工學(xué)院的研究小組使用了磁共振成像技術(shù)，這是一種非侵入性技術(shù)，通過(guò)檢測(cè)注入的造影劑和細(xì)胞內(nèi)水分子之間的磁相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。

一直以來(lái)，許多科學(xué)家都在致力于基于磁共振成像的鈣傳感器的研究，但主要的障礙是開(kāi)發(fā)一種可以進(jìn)入腦細(xì)胞的造影劑。去年，Jasanoff 的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種可以測(cè)量細(xì)胞外鈣濃度的核磁共振傳感器，但這種傳感器是基于太大而無(wú)法進(jìn)入細(xì)胞的納米顆粒。

為了制造新的細(xì)胞內(nèi)鈣傳感器，研究人員使用了能夠穿過(guò)細(xì)胞膜的構(gòu)件。這種造影劑含有錳，這是一種與磁場(chǎng)相互作用較弱的金屬，它與一種可以穿透細(xì)胞膜的有機(jī)化合物結(jié)合在一起。這種復(fù)合物還含有一種叫做螯合劑的鈣結(jié)合臂。

一旦進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，如果鈣水平低，鈣螯合劑就與錳原子弱結(jié)合，從而使錳免受核磁共振檢測(cè)。當(dāng)鈣流入細(xì)胞時(shí)，螯合劑與鈣結(jié)合并釋放錳，這使得造影劑在 MRI 圖像中顯得更明亮。

“當(dāng)神經(jīng)元或神經(jīng)膠質(zhì)之類的腦細(xì)胞受到刺激時(shí)，它們的鈣濃度通常會(huì)增加十倍以上。而我們的傳感器可以檢測(cè)到這些變化?！盝asanoff 說(shuō)。

精確的測(cè)量

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員對(duì)大鼠的紋狀體進(jìn)行注射，這是大腦深處的一個(gè)區(qū)域，涉及規(guī)劃運(yùn)動(dòng)和學(xué)習(xí)新的行為。然后，他們用鉀離子刺激紋狀體神經(jīng)元的電活動(dòng)，并能夠測(cè)量這些細(xì)胞的鈣反應(yīng)。

Jasanoff 希望利用這種技術(shù)來(lái)識(shí)別參與特定行為或動(dòng)作的小型神經(jīng)元群。由于這種方法直接測(cè)量細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)，它可以比傳統(tǒng)的功能性磁共振成像 (fMRI) 提供更精確的神經(jīng)元活動(dòng)的位置和時(shí)間信息。

“這可能有助于搞清楚大腦中不同結(jié)構(gòu)是如何協(xié)同工作來(lái)處理刺激或協(xié)調(diào)行為的，”他說(shuō)。

此外，這項(xiàng)技術(shù)可以用來(lái)對(duì)鈣成像，而經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的修改，有朝一日，它還可以用于對(duì)大腦或其他依賴鈣的器官 (如心臟) 進(jìn)行診斷性成像。