大脑有种神秘“暗语”，科学家终于发现了

这款新工具能够在细微的化学信号到达时对其进行检测，让研究人员得以接触到长期以来隐藏的那部分大脑通讯。

为何这一发现意义重大
能够观察传入信号使科学家能够研究神经元如何处理信息。每个脑细胞接收数千个输入信号，而这些信号的组合方式决定了它是否会产生输出。这一过程被认为是决策、思维和记忆的基础，直接研究它有助于解释大脑如何进行复杂的计算。
这一进展还为疾病研究开辟了新途径。谷氨酸信号传导异常与阿尔茨海默病、精神分裂症、自闭症、癫痫等多种疾病相关。通过更精确地测量这些信号，研究人员或许能够识别这些疾病的生物学根源。
药物研发也能从中受益。制药公司可以利用这些传感器观察实验性治疗对真实突触活动的影响，这可能有助于加快寻找更有效的疗法。

强大的谷氨酸传感器问世
这种蛋白质由艾伦研究所和霍华德·休斯医学研究所（HHMI）珍利亚研究园区的研究人员设计而成。它被命名为iGluSnFR4（发音为“glue sniffer”），充当分子“谷氨酸指示器”。其灵敏度使其能够检测到神经元之间传递的即使是最微弱的传入信号。
通过揭示谷氨酸释放的时间和位置，iGluSnFR4为解读支持学习、记忆和情感的复杂大脑活动模式提供了新方法。它使科学家能够实时观察大脑内部神经元的通讯。这项研究成果最近发表在《自然·方法》杂志上，可能会显著改变神经科学研究中神经活动的测量和分析方式。

脑细胞如何通讯
要理解这一进展的影响，不妨先了解神经元之间的相互作用。大脑包含数十亿个神经元，它们通过沿着称为轴突的分支状结构发送电信号进行通讯。当电信号到达轴突末端时，无法跨越到下一个神经元之间的微小间隙——这个间隙被称为突触。
相反，信号会触发神经递质释放到突触中。谷氨酸是这些化学信使中最常见的一种，在记忆、学习和情感中起着关键作用。当谷氨酸到达下一个神经元时，它会促使该细胞放电，从而继续通讯链。

从片段到完整对话
这个过程可以比作多米诺骨牌倒塌，但要复杂得多。每个神经元接收来自数千个其他神经元的输入，只有特定的活动组合和模式才会触发接收神经元放电。借助这种新型蛋白质传感器，科学家现在能够识别哪些传入活动模式会引发这种反应。
在此之前，在活体脑组织中观察这些传入信号几乎是不可能的。以前的技术要么速度太慢，要么缺乏测量单个突触活动所需的灵敏度。因此，研究人员只能看到通讯过程的片段，而不是完整的交流。这种新方法使他们能够捕捉到整个“对话”。

理解神经连接
“这就像读一本单词全是乱序的书，不理解单词的顺序或排列方式，”该研究的主要作者、艾伦研究所高级科学家卡斯帕·波多尔斯基博士说，“我觉得我们现在所做的就是添加这些神经元之间的连接，通过这样做，我们现在理解了书页上单词的顺序以及它们的含义。”
在iGluSnFR4这类蛋白质传感器出现之前，研究人员只能测量神经元的传出信号。这在理解上留下了一个重大空白，因为传入信号太快、太微弱，难以检测。
“神经科学家有很好的方法来测量神经元之间的结构连接，并且在单独的实验中，我们可以测量大脑中一些神经元在‘说’什么，但我们一直不擅长将这两种信息结合起来。很难测量哪些神经元在对哪些其他神经元‘说话’，”波多尔斯基说，“我们在这里发明的是一种测量来自不同来源的神经元传入信息的方法，这一直是神经科学研究中缺失的关键部分。”

突破背后的合作
“iGluSnFR4的成功源于我们在HHMI珍利亚研究园区开始的GENIE项目团队与卡斯帕实验室之间的密切合作。这项研究还延伸到了艾伦研究所神经动力学小组所做的出色的在体表征工作，”HHMI珍利亚研究园区的科学家杰里米·哈斯曼博士说，“这是跨实验室和跨机构合作促成神经科学新发现的一个很好的例子。”

大脑功能的新窗口
这一发现克服了现代神经科学的一个主要限制，使直接观察神经元如何接收信息成为可能。随着iGluSnFR4现在可通过Addgene提供给研究人员，科学家们拥有了一个强大的新工具，可以更详细地探索大脑功能。随着这项技术的普及，它可能有助于揭示大脑一些最持久问题的答案。