麻省剑桥-麻省理工学院和波士顿大学的研究人员使用一种荧光探针在脑细胞处于电活动状态时会点亮，它表明它们可以一次成像小鼠大脑中许多神经元的活动。

Y. Eva Tan神经技术教授兼生物工程学教授Edward Boyden说，可以使用简单的光学显微镜执行的这项技术可以使神经科学家可视化大脑内电路的活动并将其与特定行为联系起来。以及麻省理工学院的脑科学和认知科学。

麻省理工学院麦戈文脑科学研究所媒体实验室的成员博登说：“如果要研究一种行为或疾病，就需要对神经元群体的活动进行成像，因为它们在网络中协同工作。”和科赫综合癌症研究所。

研究人员表明，使用这种电压感应分子，他们可以记录到比任何现有的，完全基因编码的荧光电压探针还多的神经元的电活动。

这项研究的主要作者是波士顿大学生物医学工程系副教授博伊登(Boyden)和薛汉(Xu Han)，该研究发表在10月9日的《自然》网络版上。该论文的主要作者是麻省理工学院的博士后Kiryl Piatkevich，BU的研究生Seth Bensussen和BU的研究科学家曾华安。

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神经元使用快速的电脉冲进行计算，这是我们的思想，行为和对世界的感知的基础。测量这种电活动的传统方法需要将电极插入大脑，这是一项劳动强度大的过程，通常使研究人员一次只能记录一个神经元。多电极阵列可以同时监视许多神经元的电活动，但它们的采样密度不足以使所有神经元均处于给定的体积内。钙成像确实可以进行这种密集的采样，但是它可以测量钙，这是对神经电活动的间接和缓慢的测量。

在2018年，博伊登(Boyden)的团队开发了一种替代方法，通过用荧光探针标记神经元来监测电活动。他的小组使用一种称为蛋白质定向进化的技术，设计了一种称为Archon1的分子，该分子可以遗传插入神经元中，并在那里嵌入细胞膜中。当神经元的电活动增加时，分子变亮，并且可以用标准光学显微镜看到这种荧光。

在2018年的论文中，博伊登(Boyden)和他的同事表明，他们可以使用该分子对透明蠕虫和斑马鱼胚胎的大脑以及老鼠的脑切片中的电活动进行成像。在这项新研究中，他们希望尝试将其用于生活中的清醒小鼠，因为他们参与了特定的行为。

为此，研究人员必须修改探针，使其进入神经元膜的一个子区域。他们发现，当分子将自身插入整个细胞膜时，由于从神经元延伸出来的轴突和树突也发出荧光，因此产生的图像变得模糊。为了克服这个问题，研究人员附上了一个小的肽，该肽可以将探针特异性地引导至神经元细胞体的膜上。他们称这种修饰蛋白为SomArchon。

博登说：“有了SomArchon，您可以将每个单元视为一个不同的球体。”“每个细胞可以使自己大声而清晰地说话，而不受其邻居的污染，而不是使一个牢房的光模糊所有邻居。”

研究人员使用这种探针在大脑纹状体的一部分中成像活动，当老鼠在球上奔跑时，它参与了计划运动。他们能够同时监视多个神经元的活动，并将每个人的活动与小鼠的运动相关联。老鼠奔跑时，一些神经元的活动增加，有些下降，而其他则没有明显变化。

“多年来，我的实验室尝试了许多不同版本的电压传感器，但直到这个时候，它们中的任何一个都不能在哺乳动物的活脑中工作。”