Janelia开发的新型超快传感器可以检测钙离子的速度几乎与它们从神经元释放的速度一样快，使科学家能够梳理出脑细胞之间传递的单个毫秒长的信号。

被称为GCaMP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跟踪活体动物中大量神经元的活动。当它们感知钙时，GCaMP指示器使神经元产生绿色荧光，使科学家能够在活体动物执行任务时看到哪些神经元和突触被激活。

GCaMP指示剂自20多年前首次开发以来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。这使得科学家只能追踪神经元组和大脑区域。

现在，Janelia的研究人员已经创建了几个新版本的GCaMP传感器，这些传感器几乎可以像它们发生一样快地捕获神经元信号。新的jGCaMP8传感器比以前的GCaMP快近10倍，在15月<>日发表在《自然》杂志上的一项研究中进行了详细介绍。

jGCaMP8指示剂的超快速度以及它们的高灵敏度意味着科学家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了解当苍蝇扇动翅膀，老鼠抽搐胡须或鱼摇晃鳍时参与的大脑信号。

“这是功能成像的新制度，在这些时间尺度上，”前Janelia小组负责人Loren Looger说，他现在是加州大学圣地亚哥分校的HHMI研究员。“现在你可以开始提出神经计算如何发生的关键问题。

GCaMPs入门

自2006年以来，Janelia的科学家们一直致力于优化GCaMP传感器，由Looger，GENIE项目团队以及与不同模式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，组长Glenn Turner和高级组长Misha Ahrens。根据Looger的说法，该项目产生了更明亮，更敏感的指标，被认为是在活体动物中同时对大量神经元进行成像的最佳方法之一。

但是，尽管GCaMP指标多年来在许多方面有所改善，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 指示器会产生一个信号，从大约 50 毫秒后开始，持续大约 600 毫秒。科学家们能够看到一组神经元已经被激活，但他们无法梳理出构成信号的单个尖峰。

Janelia的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资深科学家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。与钙结合的部分含有钙调蛋白和肽RS20。一旦与钙结合，钙调蛋白和RS20相互作用产生蛋白质形状的变化，导致连接的绿色荧光蛋白(GFP)发出更亮的荧光。

钙调蛋白和肽之间的这种相互作用控制着GCaMP电极的速度。通过将RS20更改为另一种肽，研究小组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，发现了一种可以加速GCaMP信号而不会损失太多灵敏度的肽。

接下来，研究小组试图通过交换蛋白质复合物的其他部分来提高灵敏度，称为“接头”和“界面”。他们与GENIE项目团队合作，在培养的神经元中测试了1种不同的突变。最后，四年后，他们有一个超快的指标，比以前的GCaMP更敏感。他们在 000 年发布了最初的 jGCaMP8 传感器，有三种变体用于不同的应用。

“以前的GCaMP太慢了，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，由于速度的提高，传感器可以更精确地跟踪钙浓度的变化。“与以前加速GCaMPs的尝试相反，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。

jGCaMP8传感器的灵敏度和速度的提高将使研究人员能够进行以前无法做的实验，艾伦研究所的神经科学家，新论文的主要作者Márton Rózsa说。以前的传感器只允许研究人员在记录神经元群时看到活动爆发，但jGCaMP8使他们能够在更大尺度上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，如果我们没有记录大脑中存在的所有信息，那么我们可能会构建一个错误的模型，”Rózsa说。“我们获得的信息越多，我们可以构建的模型就越好，而这个传感器确实在推动我们朝着这个方向前进。

Looger认为，jGCaMP8的开发只能在像Janelia这样的研究机构进行，在那里，实验室得到了共享资源和项目团队的支持 - 以及从事特定模式生物的实验室的主题专业知识 - 承担需要时间，资源和来自许多不同人的专业知识的重大项目。

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

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