Janelia科学家开发出最快的钙指标

Janelia 开发的新型超快速传感器检测钙离子的速度几乎与神经元释放钙离子的速度一样快，从而使科学家能够梳理出在脑细胞之间传递的单个毫秒长的信号。

被称为 GCaMPs 的基因编码钙指示剂用于通过揭示信号在神经元之间传递时释放的钙离子来追踪活体动物中大量神经元的活动。当它们感知到钙时，GCaMP 指示剂会导致神经元产生绿色荧光，从而使科学家能够看到活体动物执行任务时哪些神经元和突触被激活。

自 20 多年前首次开发以来，GCaMP 指标变得更加明亮和敏感。但即使是最先进的钙传感器也不够快，无法梳理出被激活的特定神经元的单个信号。这使得科学家们只能追踪神经元群和大脑区域。

现在，Janelia 研究人员已经创建了几个新版本的 GCaMP 传感器，它们几乎可以在神经元信号发生时尽可能快地捕获它们。3 月 15 日发表在《自然》杂志上的一项研究详细介绍了新的 jGCaMP8 传感器，其速度比以前的 GCaMP 快近 10 倍。

jGCaMP8 指示器的超快速度及其高灵敏度意味着科学家们现在可以解开来自特定神经元的单个信号，使研究人员能够更好地理解当苍蝇拍打翅膀、老鼠抽动胡须时参与的大脑信号，或鱼摇动它的鳍。

“在这些时间尺度上，这是一种功能成像的新机制，”前 Janelia 小组负责人、现任加州大学圣地亚哥分校 HHMI 研究员的洛伦·卢格 (Loren Looger)说。“现在你可以开始问那些真正涉及神经计算如何发生的细节问题了。”

GCaMP 入门

自 2006 年以来，Janelia 科学家一直致力于优化 GCaMP 传感器，由 Looger、GENIE 项目团队和与不同模型生物合作的密切合作者领导，包括前组长 Karel Svoboda、高级组长兼机械认知神经科学负责人 Vivek Jayaraman、小组负责人 Glenn Turner 和高级小组负责人 Misha Ahrens。根据 Looger 的说法，该项目产生了更明亮、更灵敏的指示器，这些指示器被认为是在活体动物中同时成像大量神经元的最佳方法之一。

但是，尽管 GCaMP 指标多年来在许多方面都有所改善，但它们并没有变得更快。当信号以大约 2 毫秒的速度在神经元之间传递时，GCaMP 指示器会在大约 50 毫秒后产生一个信号，并持续大约 600 毫秒。科学家们能够看到一组神经元被激活，但他们无法梳理出构成信号的单个尖峰。

Janelia 研究人员和其他团队试图制造更快的 GCaMP 指示器，但速度的提高是以牺牲灵敏度和亮度为代价的。然后，六年前，Looger 和 Janelia 高级科学家 Yan Zhang 决定再试一次。

制作更快的 GCaMP

该团队首先研究了 GCaMP 指标的专门结构。与钙结合的部分包含蛋白质钙调蛋白和一种肽 RS20。一旦与钙结合，钙调蛋白和 RS20 就会相互作用，使蛋白质形状发生变化，从而导致连接的绿色荧光蛋白 (GFP) 发出更明亮的荧光。

钙调蛋白和肽之间的这种相互作用控制着 GCaMP 传感器的速度。通过将 RS20 换成另一种肽，该团队认为他们可能能够加快指示剂的速度。他们尝试了 30 种不同的肽，发现其中一种可以在不损失太多灵敏度的情况下加速 GCaMP 信号。

接下来，该团队试图通过交换蛋白质复合物的其他部分(称为“接头”和“界面”)来提高灵敏度。他们与 GENIE 项目团队合作，在培养的神经元中测试 1,000 种不同的突变。终于，四年后，他们有了一个比以前的 GCaMP 更灵敏的超快指示器。他们在 2020 年发布了最初的 jGCaMP8 传感器，具有针对不同应用的三种变体。

“以前的 GCaMP 太慢，无法捕获整个神经元信号，”新论文的第一作者张说。“jGCaMP8 的荧光信号上升时间要快得多——对于某些应用，它甚至有 2 毫秒的半上升时间。” 她指出，由于速度提高，传感器可以更精确地跟踪钙浓度的变化。“与之前加速 GCaMPs 的尝试相反，这会损害灵敏度，新的 jGCaMP8 可以产生更高的灵敏度，因为它在神经元活动期间捕获更多的钙信号。”

艾伦研究所的神经科学家、这篇新论文的主要作者 Márton Rózsa 说，jGCaMP8 传感器灵敏度和速度的提高将使研究人员能够进行他们以前无法进行的实验。以前的传感器只能让研究人员在记录神经元群时看到活动的爆发，但 jGCaMP8 使他们能够在更大范围内精确检测单个神经元的单个动作电位。

“我们想了解大脑如何处理信息，如果我们不记录大脑中存在的所有信息，那么我们很可能会构建一个错误的模型，”Rózsa 说。“我们获得的信息越多，我们就能构建出更好的模型，而这款传感器确实在推动我们朝着这个方向前进。”

Looger 认为 jGCaMP8 的开发只能发生在像 Janelia 这样的研究机构，那里的实验室有共享资源和项目团队的支持——以及研究特定模式生物的实验室的主题专业知识——来承担主要任务需要许多不同人员的时间、资源和专业知识的项目。

“如果一个实验室试图自己做，那是不可能的，但即使可能，也需要五倍的时间和五倍的成本，”他说。“它确实需要像 Janelia 这样的地方。”