杜克大学和阿尔伯特·爱因斯坦医学院的生物医学工程师，细胞生物学家和神经科学家已经开发出一种新型的遗传编码神经生物传感器，该传感器可以在近红外光下工作。

本发明将使研究人员能够非侵入性地研究神经元如何在活着的大脑中以更深的水平激发，同时观察耗氧量。

该研究发表于2020年10月26日的《自然生物技术》杂志上。

杜克大学生物医学工程学助理教授姚俊杰说：“科学家们为此一直努力了很长时间，而我们是最早做到这一点的人。” “组织吸收或散射的近红外光几乎不像可见光那样多，这使光子可以比目前的标准更深地穿透脑组织。”

神经科学的首要目标之一就是将复杂的行为(例如建立和存储记忆的过程)与大脑中各种神经元和结构的激活联系起来。研究人员完成这项艰巨任务的方法之一是通过使用基因编码的钙指示剂或GECI。这些生物传感器携带的荧光蛋白会在细胞中出现钙尖峰时变暗，而钙尖峰会在神经元触发时发生。

研究人员传统上点燃了用单组分和双光子显微镜这些生物传感器，其发出的光子光进入脑组织。然而，当前可用的生物传感器在可见光谱下工作，该可见光谱不能被吸收或分散而不能非常深地穿透组织。由此产生的混乱使研究人员无法看到超过半毫米的组织。

在这项新研究中，爱因斯坦(Einstein)的解剖学和结构生物学教授，美国加州大学伯克利分校和西北大学的一组研究人员姚(Vladislav Verkhusha)找到了解决此问题的方法。研究人员创建了一种钙指示剂，可以使用近红外光对其成像，从而可以更容易地穿透脑组织。而且，由于近红外光不会干扰在可见光下运行的传统生物传感器，因此可以同时使用多种类型的生物传感器，而不必担心它们的光谱串扰。

姚说：“我们新的钙指示剂本质上就像森林中的鸟类。” “虽然鸟类通常会飞来飞去并发出声音，但是当捕食者在树林中时，它们会保持沉默。您不需要专门看到捕食者就知道有危险，您只知道声音不足意味着那里有东西与我们的指示器类似，您不需要专门看到神经元的发射，只需要寻找信号：钙指示器发出的光就会变暗。”

Verkhusha说：“我希望近红外神经生物传感器将成为人类疾病动物模型以及认知神经科学研究的必不可少的分子工具，使我们能够可视化大脑中各种情绪和行为调节的机制。” “由于这些生物传感器工作在近红外范围内，因此可以使用微型头戴式摄像头通过行为动物的头骨直接对它们进行无创成像，从而使我们能够观察到在特定活动中运作的大脑结构。”

为了证明它们的新钙指示剂在活体动物中的作用，Duke的Yao研究小组将它们与第二种成像技术(称为光声显微镜)配对。这项技术是由姚(Yao)率先开发的，它使研究人员能够将光和超声的特性结合起来以创建高分辨率图像。

荧光和光声成像相结合表明，有可能通过完整的颅骨同时监测小鼠大脑的神经元活动和大脑氧合作用。

姚明说：“我们通过同时成像大脑的氧合和神经元放电来实现强大的功能，这是支撑整个大脑功能结构的两个重要支柱。” “尽管氧气为大脑提供了燃料，但神经元发射却能提供信息。”

姚明，Verkhusha和团队很高兴能够与更广泛的神经科学社区共享这项新技术。随着他们的前进，他们希望继续改善钙指示剂和成像技术，从而使它们可以深入大脑。

姚说：“我们有可能使用近红外钙指示剂来研究例如我们如何处理海马体中的记忆或阿尔茨海默氏病如何破坏记忆力。” “所有这些研究领域都可以从一种越来越深入大脑的方法中受益，对我们来说，天空是极限。”