8月20日，中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心杜久林研究組開(kāi)發(fā)了光遺傳學(xué)工具Pisces，以斑馬魚(yú)為模型，在活體脊椎動(dòng)物中實(shí)現(xiàn)了任意單個(gè)神經(jīng)元的形態(tài)、活動(dòng)與分子信息的整合標(biāo)記。這一技術(shù)突破了神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸，為構(gòu)建全腦尺度單神經(jīng)元多模態(tài)圖譜提供了重要手段。
大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由數(shù)量龐大且類型多樣的神經(jīng)元組成，探究大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能需要同步獲取單細(xì)胞層面的形態(tài)結(jié)構(gòu)、活動(dòng)狀態(tài)與分子特征。然而，傳統(tǒng)隨機(jī)稀疏標(biāo)記方法需要耗時(shí)數(shù)周，難以精確鎖定目標(biāo)神經(jīng)元；現(xiàn)有光遺傳學(xué)手段受限于信號(hào)泄漏、效率低和擴(kuò)散速度慢等問(wèn)題，無(wú)法快速呈現(xiàn)長(zhǎng)程軸突投射，且與功能成像、分子分析的兼容性不足。
Pisces設(shè)計(jì)了核定位光控蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。研究人員將光裂解蛋白與光轉(zhuǎn)換熒光蛋白融合，并通過(guò)精確平衡核定位信號(hào)與核輸出信號(hào)，使熒光蛋白在激發(fā)前嚴(yán)格定位于細(xì)胞核內(nèi)。405 nm激光照射可瞬時(shí)切割光裂解蛋白，使光轉(zhuǎn)換熒光蛋白從綠色轉(zhuǎn)為紅色，并在核輸出信號(hào)的主動(dòng)運(yùn)輸作用下以約1.02 μm/s的速度快速擴(kuò)散至整個(gè)細(xì)胞，從而在小時(shí)級(jí)時(shí)間內(nèi)標(biāo)記完整神經(jīng)元形態(tài)，顯著快于傳統(tǒng)方法的被動(dòng)擴(kuò)散。在斑馬魚(yú)模型中，Pisces可在暗場(chǎng)或環(huán)境光下精準(zhǔn)標(biāo)記任意單個(gè)神經(jīng)元，實(shí)現(xiàn)相鄰細(xì)胞的高分辨率區(qū)分，同時(shí)支持一次性追蹤多個(gè)跨腦區(qū)神經(jīng)元，繪制包括藍(lán)斑核去甲腎上腺素能神經(jīng)元在內(nèi)的復(fù)雜全腦投射圖譜。
Pisces與多種神經(jīng)科學(xué)研究技術(shù)高度兼容。在功能成像方面，科研人員將Pisces與在體鈣成像結(jié)合，在斑馬魚(yú)視頂蓋區(qū)建立了神經(jīng)元“活動(dòng)類型-完整形態(tài)類型”的配對(duì)數(shù)據(jù)，揭示了投射型與中間型神經(jīng)元在光響應(yīng)特性和樹(shù)突分布上的顯著差異，發(fā)現(xiàn)了控制捕食的對(duì)側(cè)投射神經(jīng)元具有更復(fù)雜的樹(shù)突結(jié)構(gòu)與多樣的光響應(yīng)模式。在分子分析方面，科研團(tuán)隊(duì)利用流式分選提取已激活的Pisces神經(jīng)元，開(kāi)展單細(xì)胞RNA測(cè)序，解析了韁核左右側(cè)神經(jīng)元在信號(hào)通路上的差異，并結(jié)合熒光原位雜交驗(yàn)證了單神經(jīng)元形態(tài)與基因表達(dá)的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系，揭示了包括韁核與中腦在內(nèi)的不同腦區(qū)細(xì)胞類型和功能特性。
這一新成果突破了“全腦尺度單神經(jīng)元多模態(tài)解析”技術(shù)，為探討神經(jīng)環(huán)路提供了“結(jié)構(gòu)-活動(dòng)-分子”三位一體的新研究視角。
相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到科技創(chuàng)新-2030重大專項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目等的支持。
利用Pisces系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)活體大腦中單個(gè)神經(jīng)元的分子、形態(tài)和活動(dòng)數(shù)據(jù)的整合
Pisces通過(guò)整合活體斑馬魚(yú)大腦單神經(jīng)元形態(tài)、活動(dòng)與基因多模態(tài)信息，解析單神經(jīng)元多模態(tài)信息
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