发光的脑细胞让科学家实时看到大脑如何工作

“要是能从大脑内部点亮它会怎样？”布朗大学脑科学教授克里斯托弗·摩尔这样思考。用光照大脑可测量或驱动细胞活动（通常通过荧光法），但激光实验需精密硬件且成功率低，于是他们想到用生物发光替代。

这一想法推动了2017年布朗大学卡尼脑科学研究所生物发光研究中心的成立。在国家科学基金会资助下，中心汇集了摩尔（副主任）、黛安·利普斯科姆（所长）、尤特·霍赫格申德（中密歇根大学）和内森·沙纳（加州大学圣地亚哥分校）等合作者，致力于研发让神经系统细胞发光并响应光的新型神经科学工具。

在《自然·方法》发表的研究中，他们介绍了新型生物发光成像工具——钙离子生物发光活动监测器（简称“CaBLAM”）。该工具能高速捕捉单个细胞甚至更小区域的活动，在小鼠和斑马鱼体内效果好，支持数小时记录且无需外部光源。加州大学圣地亚哥分校神经科学与药理学副教授沙纳主导了其分子装置设计，摩尔称“CaBLAM是内森创造的神奇分子，名副其实”。

摩尔解释，追踪活脑细胞活动对理解生物体功能至关重要，目前常用基于荧光的基因编码钙离子指示剂。荧光法通过发射光束获取不同波长返回光，可制成钙敏感蛋白，根据钙存在与否返回不同光信号。但荧光法有明显缺陷：强光长时间照射会损伤脑细胞，还会导致荧光分子光漂白（发光减弱），限制实验时长；且需激光、光纤等设备，实验侵入性更强。

生物发光成像原理不同：酶分解特定小分子产生光，无需外部光源，因此无光漂白和光毒性，对脆弱脑组织更安全，成像也更清晰。沙纳指出，外部光照射会使脑组织微弱发光产生背景噪音，还会散射光线模糊信号，导致图像暗且模糊；而大脑不会自然产生生物发光，经改造的神经元自主发光时，在黑暗背景下干扰小、成像清晰。

科学家们数十年探讨用生物发光研究脑活动，CaBLAM首次实现观察单个细胞独立激活，如用灵敏“摄影机”实时记录脑活动，还能连续记录五小时（荧光法无法做到），助力复杂行为或学习过程研究。

CaBLAM是中心研发观察和控制脑活动新方法的一部分，其他项目包括让细胞发光供邻近细胞检测（“用光重新连接大脑”）及钙调节细胞活动技术。研究发现这些项目都依赖更亮有效的钙传感器，这已成为中心工作重点。

摩尔认为CaBLAM未来或应用于神经科学以外，研究身体其他部位活动，为观察脑和身体运作提供新选择（如同时追踪多部位活动）。该成果由34位科学家合作完成，涉及布朗大学等多所机构，获美国国立卫生研究院、国家科学基金会和保罗·G·艾伦家族基金会资助。