發光的蛋白質 可立即顯示腦神經活動

作者 | 發布日期 2015 年 02 月 20 日 20:00 | 分類 生物科技 , 醫療科技
zebrafish-brain-150212 CaMPARI protein

能夠精確觀察到活生生的動物正在運作中的單一一個腦細胞,對科學家來說是研究的一大利器;過去想這樣做有困難,但現在他們有辦法了。透過綁定一種會發光的蛋白質,科學家可以即時看到腦神經細胞活動的情形,比現在常用的功能性磁振造影等方法都要更即時與精確。



蛋白質亮燈法即時反應腦細胞活動

鈣離子在腦部參與腦神經細胞的活動過程。美國霍華休斯醫學研究所的科學家,發現一種在腦部與鈣離子結合的蛋白質,當腦細胞開始活動時,這種蛋白質的顏色會從綠色變為紅色。他們稱這種蛋白質為 “CaMPARI" (calcium modulated photoactivatable ratiometric integrator),可以做為腦細胞活動與否的指示燈。這項研究刊登在「科學」雜誌。

過往科學家試圖瞭解腦部即時運作的方式,常見的方式之一是功能性磁振造影 (fMRI),它的原理是可以顯現出腦部血液流動的情況,當某個區域的血液流動較強,間接印證該區腦細胞有較活躍的動作,但它的缺點在於太籠統,一個像素的訊號其實代表上千個細胞的活動情形;另一方面,就算某一區域的腦細胞開始活躍,相關的血管也會在稍後才會有較多血液流動,也就是說,fMRI 看到的影像不算是即時反應腦部活動。另外還有一種方法,是在要研究的細胞中植入一個特定基因,讓細胞在有活動時,可製造出一種可觀察的特定蛋白質。但這種方法的缺點時,就算是觸動了細胞的運作,蛋白質也不是馬上就能製造出來供研究者觀察。

目前還無法應用在人體

CaMPARI 的好處在於可以立即反應神經細胞以毫秒為單位計量的活動。研究者對活的動物照射紫外光,就可以讓這種蛋白質發光,即時反應的特性可以讓研究者清楚分辨在不同時間點,有哪些神經細胞在活動。研究團隊利用基因工程改造過的病毒,將 CaMPARI 相關的基因分別植入斑馬魚、果蠅及小鼠身上,然後把斑馬魚放在不同溫度及水流的水中,把果蠅放在有不同氣味的空間中,給小鼠看電影,藉此觀察神經活動情形。

研究所的資深研究員 Eric Schreiter 強調目前這個方法還不能應用到人體,因為目前並不能把病毒植入人體中,就算牠是無害的。另外,他們也同意其他學者的看法,就是此類實驗如果擴大規模,會使得更多與 CaMPARI 綁定的鈣離子無法進行其原有的工作,等於是會干擾腦部的正常運作。

(首圖來源:Looger Lab, HHMI/Janelia)

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