基因编码传感器如何照亮大脑科学

在神经系统中，突触是神经细胞间信号交流的核心场所。相邻细胞通过狭窄间隙，借助化学和电信号的动态交换进行“对话”。神经递质和神经调质等分子会诱导或抑制动作电位——神经元细胞膜上的电压峰值，进而触发其他分子释放。这种交流最终产生情绪、思想、行为等，塑造了大脑的功能。

为解读这些“对话”，研究人员曾依赖多种工具。电生理学通过植入电极（如膜片钳记录）测量动作电位相关的电压变化；微透析提取神经元周围液体进行分析；快速扫描循环伏安法利用植入电极检测特定信号分子。但这些方法各有局限：电生理学能精确测量动作电位，却无法确定驱动它们的具体神经化学物质（神经递质和神经调质的统称）；微透析可识别特定分子，但时空分辨率不足，难以定位释放的时间和位置；伏安法常难以区分结构相似的分子。

过去二十年，基因编码传感器的发展为神经科学家提供了规避这些问题的新途径。这类传感器最初用于通过追踪钙离子变化识别细胞动作电位，近年来研究人员拓展了其功能，可检测关键神经化学物质。新一代传感器让科学家能探究诸多此前未知的问题，比如：动作电位发放会释放多少特定神经化学物质？释放某种神经化学物质需要多少个动作电位？该分子能存在多久？加拿大麦吉尔大学神经科学家尼古拉斯·特里奇指出：“对于多巴胺、血清素、乙酰胆碱等绝大多数分子，我们对这些问题几乎一无所知，而这类新型基因编码传感器真正打开了这个研究领域。”

基因编码神经化学传感器的革新始于钙离子检测。动作电位会激活神经元细胞膜上的特殊通道蛋白，让钙离子进入，改变其浓度。研究人员将钙结合蛋白钙调蛋白与荧光蛋白融合，并通过基因手段将这种融合分子靶向特定细胞群，开发出能响应钙波动而发光的传感器，以此间接反映神经元活动。

2001年出现的基因编码钙指示剂GCaMPs是其中的代表。经过优化，其速度和灵敏度不断提升，现已成为神经科学研究的常用工具。加州大学圣地亚哥分校神经科学家洛伦·卢格尔的团队一直致力于开发这类传感器，他表示：“GCaMPs应用广泛，多数使用它的论文甚至不再引用相关文献。”

基因编码传感器有诸多优势（见“追踪神经化学物质”）。研究人员可在特定时间、特定细胞中表达它们，再结合光遗传学等技术，让细胞对光产生反应而发放信号。但它们也需基因操作，可能意外改变细胞生物学特性。

尽管如此，这些传感器的成功激励了包括卢格尔在内的许多工具开发者，他们开始探索检测其他神经化学物质的类似策略，包括谷氨酸、γ-氨基丁酸（GABA）、乙酰胆碱等神经递质（激活或抑制神经细胞），以及多巴胺、血清素、内源性大麻素等神经调质（触发脑内分子通路）。

2018年，中美两国团队相隔几周发表的两篇论文，分别独立描述了类似GCaMP的多巴胺传感器。多巴胺是一种参与奖赏决策、学习等多种过程的神经调质。这两种传感器分别被命名为dLight1和GRAB-DA，均基于多巴胺受体——G蛋白偶联受体（GPCRs）家族的一员。由当时在美国加州大学戴维斯分校的神经科学家田林（现就职于佛罗里达马克斯·普朗克神经科学研究所）和北京大学神经科学家李毓龙领导的团队，对受体进行修饰，使其在多巴胺存在时发出荧光，并将该基因插入病毒。研究人员可将传感器注射到活体动物体内，通过光纤光度法（一种利用植入脑内的光纤测量荧光变化的技术）观察感染细胞中特定分子的活动。

这些传感器迅速成为神经科学工具包的热门成员，两篇论文各自被引用超800次。英国牛津大学神经科学家马克·沃尔顿认为，其受欢迎部分源于易用性。传统方法如伏安法“有点像‘黑魔法’”，难以掌握，而有了基因编码传感器，“我们再也没回头”。沃尔顿团队利用它们在小鼠中进行了近20万次测试，发现与传统方法结果相反，奖赏决策可能独立于多巴胺发生。

GPCR基传感器的另一优势是普适性，其设计已扩展到检测乙酰胆碱、血清素、内源性大麻素等的受体。加州大学圣地亚哥分校神经科学家马修·班哈特表示：“这些初始多巴胺传感器及后续优化版本具有变革性，实施简便，且理论上可用于任何目标GPCR。”

这些传感器已开始从根本上改变我们对神经递质和神经调质作用的理解。例如，21世纪10年代后期，当时在布朗大学的博士后研究员阿里夫·哈米德（现就职于明尼苏达大学）想研究脑中多巴胺波动。当时主流假说认为，多巴胺神经元激活时，这种神经调质会在全脑均匀释放。但他和同事利用dLight传感器追踪小鼠纹状体（含大量多巴胺响应神经元）中的分子动态，却发现多巴胺是以波的形式释放的。“这完全出乎我们意料，”哈米德说。

特里奇团队发现乙酰胆碱也会在纹状体中以波的形式传播。2023年，他们在活体小鼠中使用基于GRAB-DA的双色成像传感器（分别针对乙酰胆碱和多巴胺），发现这两种分子的浓度并非稳定基线，而是以亚秒级动力学波动。“我们发现多巴胺和乙酰胆碱的信号特征比想象中快得多，下一步是研究它们如何在这些时间尺度上影响大脑。”特里奇说。

传感器还揭示了其他重要神经化学物质的秘密。2021年，加州和加拿大的研究团队利用GRAB基传感器研究小鼠脑内的内源性大麻素信号。今年早些时候，另一团队使用响应神经肽神经降压素（参与摄食行为）的GPCR传感器ntsLight1.1，探究纯高脂饮食小鼠为何开始回避高热量食物。分析发现，与多巴胺信号相关脑区中神经降压素水平下降可能是原因之一。

这些传感器不仅在基础神经生物学中有前景，在应用领域也有潜力。例如，田林团队发现，针对受致幻药物2,5-二甲氧基-4-碘苯丙胺影响的神经元的传感器，可用于识别其他参与该药物抗焦虑作用（无致幻效果）的细胞，这一发现或助力开发无致幻副作用的治疗性致幻药物。

不过，基因编码传感器也有重要注意事项。关键问题之一是这些蛋白质如何影响其表达细胞的生物学特性。像多数蛋白质一样，过量表达可能对神经元有毒性，因此确定传感器的最佳使用浓度至关重要。特里奇说：“每一批次都需知道稀释多少，既能观察到信号，又不会因过量杀死神经元。”其原因尚不清楚，特里奇等人提出两种可能：GPCR可能“夺走”神经元正常功能所需的分子，或过度表达会过度消耗合成和运输这些分子至膜所需的细胞机制。