神经科学家开发钙基MRI传感器来监测神经活动

2018-05-14

麻省理工学院的研究人员设计了磁共振成像传感器,在钙离子存在的情况下形成簇,使他们能够监测活体大脑中的神经元活动。礼貌的研究人员

em系统检测神经活动的直接信号;可能会揭示潜在行为的模式。 / em

麻省理工学院神经科学家开发了一种新的磁共振成像(MRI)传感器,使他们能够通过跟踪钙离子来监测大脑深处的神经活动。

因为钙离子与神经元放电直接相关 - 与其他类型的MRI提供的间接信号检测到的血流变化不同 - 这种新型传感可以使研究人员将特定的大脑功能与其神经元活动模式联系起来,以确定在特定任务期间大脑区域彼此间如何相互沟通。

“麻省理工学院麦戈文脑研究所副教授麻省理工学院生物工程,脑和认知科学以及核科学和工程学教授艾伦贾斯诺夫说:”钙离子浓度与神经系统中的信号事件密切相关,和这项研究的高级作者。 “我们设计了一种分子结构的探针,可以感知与神经活动相关的细胞外钙相对微妙的变化。”

在大鼠的测试中,研究人员表明,他们的钙传感器可以准确地检测化学或电刺激诱发的神经活动变化,这些变化在大脑的一部分称为纹状体深处。

麻省理工学院的研究人员Satoshi Okada和Benjamin Bartelle是这项研究的主要作者,该研究发表在4月30日的Nature Nanotechnology杂志上。其他作者还包括脑与认知科学教授Mriganka Sur,研究员李南,博士后Vincent Breton-Provencher,前博士后Elisenda Rodriguez,Wellesley College本科Jiyoung Lee以及高中生James Melican。

跟踪钙

作为神经科学研究的核心,MRI可以让科学家确定在特定任务期间活跃的大脑部位。最常用的类型称为功能性MRI,它测量大脑中的血流量作为神经活动的间接标记。 Jasanoff和他的同事想要设计一种方法来绘制基于血流MRI技术无法达到的特异性和分辨率的神经活动模式。

Jasanoff说:“能够绘制深部组织大脑活动的方法依赖于血流量的变化,而这些方法通过许多不同的生理途径与神经活动相结合。” “因此,最终看到的信号通常很难归因于任何特定的潜在原因。”

另一方面,钙离子流可以直接与神经元活动相关联。当神经元发出电脉冲时,钙离子冲入细胞。大约十年来,神经科学家一直在使用荧光分子标记大脑中的钙,并用传统的显微镜对其进行成像。这种技术使他们能够精确地跟踪神经元的活动,但是它的使用仅限于大脑的小部分区域。

麻省理工学院团队着手寻找一种使用MRI对钙进行成像的方法,该方法可以分析更大的组织体积。为此,他们设计了一种新型传感器,可以检测细胞外钙离子浓度的细微变化,并以可通过MRI检测的方式做出反应。

新型传感器由两种类型的颗粒组成,这些颗粒在钙存在下聚集在一起。一种是称为突触结合蛋白的天然存在的钙结合蛋白,另一种是包裹在脂质中的磁性氧化铁纳米颗粒,其也可以与突触结合蛋白结合,但只有当钙存在时。

钙结合诱导这些颗粒聚集在一起,使它们在MRI图像中显得较暗。神经元外侧的高水平钙与低神经元活性相关;当钙浓度下降时,这意味着该区域的神经元正在发射电脉冲。

检测大脑活动

为了测试这些传感器,研究人员将它们注入了老鼠的纹状体,这是一个参与规划运动和学习新行为的区域。然后,他们给老鼠一种化学刺激,诱导短时间的神经活动,并发现钙传感器反映了这种活动。

他们还发现,传感器在大脑参与奖励的部分中获得了由电刺激诱发的活动。

这种方法为研究大脑功能提供了一种新方法,德国图宾根马克斯普朗克生物控制论研究所的研究小组负责人Xin Yu说,他没有参与这项研究。

“虽然我们在过去的半个世纪里已经积累了足够的细胞内钙信号传导知识,但很少有人研究细胞外钙的动态变化如何影响大脑功能,或者作为大脑功能的指标。 “当我们解读像脑一样复杂和自适应的系统时,每一条信息都很重要。”

当前版本的传感器在最初的大脑刺激的几秒钟内响应,但研究人员正在努力加快速度。他们还试图修改传感器,以便它可以传播到整个大脑区域并穿过血脑屏障,这样就可以传输颗粒而不会将它们直接注射到测试地点。

有了这种传感器,Jasanoff希望以比现在更高的精度映射神经活动模式。 “你可以想象测量大脑不同部位的钙活性,并试图确定,例如,不同类型的感觉刺激是如何通过它们诱导的神经活动的空间模式以不同方式编码的,”他说。

该研究由美国国立卫生研究院和麻省理工学院Simons社会大脑中心资助。

刊物:Satoshi Okada等人,“使用磁性纳米传感器的钙依赖性分子fMRI”,Nature Nanotechnology(2018)doi:10.1038 / s41565-018-0092-4