2015值得期待的技術(shù):下一個(gè)科學(xué)突破
日期:2015-01-06 09:19:36
2014年Science雜志公布的十大科學(xué)突破中,有一項(xiàng)是關(guān)于“神經(jīng)形態(tài)”芯片的,這是一種能被設(shè)計(jì)成能夠處理傳感器數(shù)據(jù)(圖像、聲音等)以及根據(jù)未編程的數(shù)據(jù)變化做出反應(yīng)的芯片。其重點(diǎn)在于基于神經(jīng)形態(tài)芯片的智能傳感器和設(shè)備,可用于病情的智能監(jiān)測(cè),從而使得健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)追蹤病人的生命體征,及早發(fā)現(xiàn)潛在的風(fēng)險(xiǎn),為病人提供個(gè)性化的治療手段。
而對(duì)于神經(jīng)生物學(xué)家來(lái)說(shuō),肉眼觀察到活體,或者行為動(dòng)物體內(nèi)的神經(jīng)元活性,也將有助于深入了解自然完整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元的功能,這也許將能成為下一個(gè)科學(xué)突破。
基因編碼的電壓指示器能告訴我們細(xì)胞膜電位的波動(dòng),因此相比于鈣指標(biāo),更能直接反映神經(jīng)元的活性。這種感應(yīng)器與傳統(tǒng)的電生理技術(shù)不同,前者能在同一時(shí)間分析多種定義神經(jīng)元的活性。但是盡管這一領(lǐng)域取得了一些最新進(jìn)展,科學(xué)家們還是無(wú)法讓熒光電壓指示器在體內(nèi)正常工作,尤其是在哺乳動(dòng)物體內(nèi)。
理想狀態(tài)下,這些傳感器將能在獲得高靈敏性的同時(shí),完成快速反應(yīng)動(dòng)力學(xué),并且還只需要低激光激發(fā)電源,以減少活體生物組織中的光毒性。具有這些特性的傳感器能無(wú)需多次試驗(yàn)平均信號(hào),記錄體內(nèi)單個(gè)動(dòng)作電位,而且良好的信號(hào)噪聲比也將有利于監(jiān)測(cè)閾下事件,如興奮或抑制突觸后電位,這些沒(méi)有動(dòng)作電位明顯。
近年來(lái),電壓傳感器在許多體外應(yīng)用中獲得了許多進(jìn)步,但是利用活體動(dòng)物電壓感應(yīng)器的報(bào)道就很少,主要成果就是2013年美國(guó)NIH利用果蠅,第一次通過(guò)一種新型基因工程蛋白觀看到活體大腦中神經(jīng)細(xì)胞電活性。
一般來(lái)說(shuō)科學(xué)家們都是利用繁瑣的電極或有毒的電壓敏感染料來(lái)控制電,但是這項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)了一種新型蛋白——基因編碼熒光電壓指示蛋白(genetically encoded fluorescent voltage indicators,GEVIs),利用這種蛋白,能令研究人員觀看到活體動(dòng)物中的神經(jīng)細(xì)胞電活性。研究人員將其稱(chēng)為ArcLight,這種蛋白能隨著神經(jīng)細(xì)胞的電壓變化而發(fā)出熒光,因此研究人員就能實(shí)時(shí)觀測(cè)到細(xì)胞中的電活性。
此外還有一種稱(chēng)為Archer1 的蛋白,不過(guò)雖然近期研發(fā)出的感應(yīng)器MacQ-mCitrine能改善ArcLight的特點(diǎn),但是要想在活體小鼠中感受單個(gè)動(dòng)作電位依然很困難。
科學(xué)家們希望在不久的將來(lái)能看到進(jìn)一步的改進(jìn),幫助構(gòu)建合適體內(nèi)成像的電壓傳感器,這可能需要對(duì)現(xiàn)有傳感器進(jìn)行調(diào)整,或設(shè)計(jì)完全新的裝備。基于成像的電壓傳感研究將能解答許多令人頭疼,但又十分關(guān)鍵的神經(jīng)學(xué)問(wèn)題。
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