隨著科學(xué)家稱人類的大腦有著驚人的860億個(gè)神經(jīng)元的家園，每個(gè)細(xì)胞織帶在每個(gè)可能的方向都有幾個(gè)聯(lián)接，形成了一個(gè)控制人類思想、意識(shí)、行為的超級(jí)巨大的蜂窩網(wǎng)絡(luò)。深入研究神經(jīng)元，也已經(jīng)成為科學(xué)家們探索大腦奧秘的重要手段。

傳統(tǒng)了解神經(jīng)元電信號(hào)活動(dòng)的方法是離體或在體電生理記錄法，到后來(lái)發(fā)展使用鈣離子熒光成像技術(shù)，科學(xué)家們?nèi)栽谔剿鞲鼉?yōu)的方法去了解這未知的“腦”世界。

電生理記錄是用來(lái)檢測(cè)神經(jīng)元電信號(hào)變化最直接的手段，其優(yōu)勢(shì)是具有非常精確的時(shí)間分辨率，其缺點(diǎn)是不僅會(huì)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)造成較大損傷，同時(shí)針對(duì)群體活動(dòng)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)大量神經(jīng)元同時(shí)檢測(cè)。

而鈣離子熒光成像技術(shù)基本原理是用熒光探針標(biāo)記樣本中的鈣離子,根據(jù)樣本中的熒光探針特性單色光源發(fā)出單色光,誘發(fā)出熒光。然后根據(jù)傳感器檢測(cè)到的熒光特性即可分析樣本中的鈣離子濃度，這也是近年來(lái)檢測(cè)群體神經(jīng)元活動(dòng)的主要手段之一。

但鈣離子成像的時(shí)間分辨率與電生理記錄相比較差，同時(shí)很難推斷出與之對(duì)應(yīng)的神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢坏念l率和數(shù)量，鈣離子的熒光信號(hào)也只能反應(yīng)出動(dòng)作電位，無(wú)法反映出膜電位變化。

基于這些難點(diǎn)，為了更好的了解神經(jīng)元的電信號(hào)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)更大范圍群體神經(jīng)元電信號(hào)變化的高時(shí)間分辨率檢測(cè)，專家們將目標(biāo)定在了對(duì)細(xì)胞膜電位變化敏感的電壓熒光探針。

目前使用的大部分熒光電壓探針一般是利用紫外光或者可見(jiàn)光來(lái)激發(fā)的，而活體組織對(duì)紫外和可見(jiàn)光具有很強(qiáng)的吸收和散射作用，導(dǎo)致其極為有限的穿透深度和空間分辨率，因此這種探針只能用來(lái)檢測(cè)大腦淺層的電信號(hào)。而生物活體組織對(duì)紅外光（750 nm - 1000 nm）的吸收和散射顯著降低，并且?guī)缀鯚o(wú)生物體自發(fā)熒光干擾，具有更高的組織穿透深度和空間分辨率，以及更高的信噪比，因此使用紅外光激發(fā)，有助于更深層了解大腦的“奧秘”。

2020年4月8日，可實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元膜電位的變化進(jìn)行檢測(cè)的新型熒光電壓探針問(wèn)世。此新型“”是由中科院神經(jīng)科學(xué)研究所與中科院上海硅酸鹽研究所共同研發(fā)出的一種可用近紅外激發(fā)并對(duì)電壓更敏感的新型發(fā)光納米探針，并用它成功檢測(cè)了斑馬魚前腦神經(jīng)元對(duì)食物刺激的反應(yīng)，以及小鼠初級(jí)體感皮層在不同麻醉深度的神經(jīng)元閾下膜電位活動(dòng)。

這種新型的探針基于稀土元素?fù)诫s的上轉(zhuǎn)換熒光納米顆粒（UCNPs），利用其與六硝基二苯胺（DPA）之間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元膜電位的變化的檢測(cè)。

▲電壓納米探針原理示意 (Liu et. al.,2020)

研究人員首先將UCNPs固定在細(xì)胞膜上，然后將DPA嵌入細(xì)胞膜磷脂雙分子層。在細(xì)胞靜息狀態(tài)下，帶負(fù)電荷的DPA在細(xì)胞膜外側(cè)富集，UCNPs與DPA之間距離在10nm以內(nèi)，形成發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移效應(yīng)（FRET），UCNPs發(fā)光被DPA吸收，檢測(cè)到的光信號(hào)較弱。當(dāng)細(xì)胞去極化后，DPA在電場(chǎng)作用下于細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)富集，UCNPs與DPA之間距離超過(guò)10nm，發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移效應(yīng)消失，從而恢復(fù)了UCNPs的發(fā)光。

神經(jīng)元電信號(hào)的變化較快，時(shí)間一般只有1-2ms，而熒光探針的熒光信號(hào)又相對(duì)較微弱。因此，想要檢測(cè)到熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）這種微弱的信號(hào)，需要設(shè)備具有較高靈敏度和高幀率。在這一研究中心，經(jīng)過(guò)重重篩選，最后科學(xué)家們選擇了Teledyne Photometrics背照式 sCMOS 相機(jī) Prime 95B。

▲超高靈敏度科研級(jí)sCMOS相機(jī)—Prime 95B

Prime 95B 科學(xué)級(jí)sCMOS相機(jī)采用95%QE的背照式芯片、11μm大像元尺寸，保證了絕對(duì)的高靈敏度；可靠的制冷腔體在配合水冷情況下實(shí)現(xiàn)-25℃制冷，進(jìn)一步抑制了暗場(chǎng)噪聲，最終提高圖像信噪比；配合PrimeLocate超分辨采集提供每幀動(dòng)態(tài)計(jì)算和傳輸500個(gè)分子，確保了有效目標(biāo)清晰成像外更進(jìn)一步提升幀率；最后PrimeEnhance圖像處理提升3-5倍的動(dòng)態(tài)范圍、降低本地噪聲，采集優(yōu)質(zhì)圖像用于數(shù)據(jù)分析。

▲電壓熒光探針檢測(cè)HEK293細(xì)胞膜電位變化，A：電壓熒光探針標(biāo)記的HEK293細(xì)胞在100mV去極化脈沖刺激下的熒光信號(hào)變化偽彩圖像。B：電壓熒光探針對(duì)不同頻率去極化脈沖（黑）的響應(yīng)（紅）C: B中的響應(yīng)匯總 (Liu et. al.,2020)

腦科學(xué)作為當(dāng)前科學(xué)領(lǐng)域最熱門和最前沿的學(xué)科，勢(shì)必將在未來(lái)幾十年內(nèi)得到長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展，這與新型研究工具和技術(shù)的研究密不可分。Teledyne Photometrics 高端 sCMOS 相機(jī)作為堅(jiān)強(qiáng)“后盾”，也將繼續(xù)為最前沿的科學(xué)研究提供有力支持！