鈣是大多數(shù)細(xì)胞的關(guān)鍵信號(hào)分子，在神經(jīng)元中尤為重要。腦細(xì)胞中的鈣成像可以揭示神經(jīng)元如何相互通信; 然而，目前的成像技術(shù)只能穿透幾毫米進(jìn)入大腦。
麻省理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種基于磁共振成像(MRI)的鈣活性成像方法，可以讓他們更深入地了解大腦。使用這種技術(shù)，他們可以跟蹤活體動(dòng)物神經(jīng)元內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo)過程，使他們能夠?qū)⑸窠?jīng)活動(dòng)與特定行為聯(lián)系起來。
“本文描述了第一個(gè)基于MRI的細(xì)胞內(nèi)鈣信號(hào)檢測，它直接類似于神經(jīng)科學(xué)中廣泛使用的強(qiáng)大光學(xué)方法，但現(xiàn)在可以在深部組織中進(jìn)行這種測量，”麻省理工學(xué)院麻省理工學(xué)院教授Alan Jasanoff說。生物工程，大腦和認(rèn)知科學(xué)，核科學(xué)和工程，以及麻省理工學(xué)院麥戈文腦研究所的準(zhǔn)成員。
Jasanoff是該論文的高級作者，該論文發(fā)表于2月22日出版的Nature Communications。麻省理工學(xué)院博士后阿里巴蘭多夫和本杰明巴特爾是該論文的主要作者。麻省理工學(xué)院高級學(xué)生Catherine Williamson，麻省理工學(xué)院最近的畢業(yè)生Emily Loucks和Arthur Amos Noyes化學(xué)榮譽(yù)退休教授Stephen Lippard也是該研究的作者。
進(jìn)入細(xì)胞
在他們的靜息狀態(tài)下，神經(jīng)元具有非常低的鈣水平。然而，當(dāng)他們發(fā)射電脈沖時(shí)，鈣會(huì)涌入細(xì)胞。在過去的幾十年中，科學(xué)家們已經(jīng)設(shè)計(jì)出通過用熒光分子標(biāo)記鈣來對這種活動(dòng)進(jìn)行成像的方法。這可以在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的細(xì)胞或活體動(dòng)物的大腦中進(jìn)行，但這種顯微鏡成像只能穿透十分之幾毫米進(jìn)入組織，將大多數(shù)研究限制在大腦表面。
“這些工具已經(jīng)完成了令人驚奇的事情，但我們想要的東西可以讓我們自己和其他人更深入地了解細(xì)胞層信號(hào)，”Jasanoff說。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向MRI，這是一種非侵入性技術(shù)，通過檢測注入的造影劑和細(xì)胞內(nèi)水分子之間的磁相互作用來發(fā)揮作用。
許多科學(xué)家一直在研究基于MRI的鈣傳感器，但主要的障礙是開發(fā)出可以進(jìn)入腦細(xì)胞的造影劑。去年，Jasanoff的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種可以測量細(xì)胞外鈣濃度的MRI傳感器，但這些傳感器是基于太大而無法進(jìn)入細(xì)胞的納米顆粒。
為了制造新的細(xì)胞內(nèi)鈣傳感器，研究人員使用了可以穿過細(xì)胞膜的構(gòu)建塊。造影劑含有錳，一種與磁場微弱相互作用的金屬，與可以穿透細(xì)胞膜的有機(jī)化合物結(jié)合。該復(fù)合物還含有稱為螯合劑的鈣結(jié)合臂。
一旦進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，如果鈣水平低，則鈣螯合劑與錳原子弱結(jié)合，從而使錳免于MRI檢測。當(dāng)鈣流入細(xì)胞時(shí)，螯合劑與鈣結(jié)合并釋放錳，這使得造影劑在MRI圖像中看起來更亮。
“當(dāng)神經(jīng)元或其他稱為神經(jīng)膠質(zhì)的腦細(xì)胞受到刺激時(shí)，它們的鈣濃度經(jīng)常增加十倍以上。我們的傳感器可以檢測到這些變化，”Jasanoff說。
精確測量
研究人員通過將大腦中的傳感器注入紋狀體進(jìn)行測試，紋狀體位于大腦深處，參與規(guī)劃運(yùn)動(dòng)和學(xué)習(xí)新行為。然后他們使用鉀離子刺激紋狀體神經(jīng)元的電活動(dòng)，并能夠測量這些細(xì)胞中的鈣反應(yīng)。
Jasanoff希望利用這種技術(shù)來識(shí)別涉及特定行為或行為的小型神經(jīng)元群。因?yàn)檫@種方法直接測量細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo)，所以它可以提供比傳統(tǒng)功能磁共振成像(fMRI)更精確的關(guān)于神經(jīng)元活動(dòng)的位置和時(shí)間的信息，傳統(tǒng)功能磁共振成像測量大腦中的血流量。
“這可能有助于弄清楚大腦中的不同結(jié)構(gòu)如何協(xié)同工作來處理刺激或協(xié)調(diào)行為，”他說。
此外，該技術(shù)可用于對鈣進(jìn)行成像，因?yàn)樗哂性S多其他作用，例如促進(jìn)免疫細(xì)胞的活化。通過進(jìn)一步的修改，它有一天也可用于對大腦或其功能依賴鈣的其他器官(例如心臟)進(jìn)行診斷成像。