Nature：开发出迄今为最快速的钙离子指示剂，用于神经元成像

基因编码的称为GCaMP的钙指示剂（也称为钙传感器）通过揭示信号在神经元之间传递时释放的钙离子，被用来追踪活体动物中大量神经元群体的活动。当感应到钙离子时，GCaMP指示剂使神经元产生绿色荧光，从而使得科学家们能够看到活体动物在执行任务时哪些神经元和突触被激活。

自从20多年前首次开发出GCaMP指示剂以来，它们已经变得更加明亮和敏感。但是，即使是最先进的钙传感器也没有快到足以分辨出特定神经元被激活的单个信号。这使得科学家们只能跟踪大脑中的神经元群体和区域。

如今，在一项新的研究中，来自美国霍华德-休斯医学研究所的研究人员创建出几种新版本的GCaMP传感器，称为jGCaMP8传感器，几乎可以在神经元信号发生的同时捕捉它们。他们开发的新的超快速传感器可以检测钙离子，其速度几乎与钙离子从神经元中释放的速度一样快，使科学家能够找出在脑细胞之间传递的单个的、长达几毫秒的信号。他们详细介绍了这些新的jGCaMP8传感器，它们比以前的GCaMP快近10倍。相关研究结果发表在2023年3月30日的Nature期刊上，论文标题为“Fast and sensitive GCaMP calcium indicators for imaging neural populations”。

jGCaMP8指示剂的超快速度，以及它们的高灵敏度，意味着科学家们如今可以区分来自特定神经元的单个信号，使得人们能够更好地理解当果蝇扇动翅膀、小鼠抽动胡须或鱼摇摆鱼鳍时参与的大脑信号。

论文共同通讯作者、霍华德-休斯医学研究所研究员Loren Looger说，“在这些时间尺度上，这是功能成像的一种新方式。如今你可以开始提出那些真正涉及到神经计算如何发生的问题了。”

关于GCaMP的入门知识

自2006年以来，来自霍华德-休斯医学研究所的科学家们一直在努力优化GCaMP传感器，这项新的研究由Looger和与研究不同模式生物的亲密合作者领导，包括前组长Karel Svoboda、高级组长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和更灵敏的指示剂，被认为是在活体动物中同时对大量神经元群体进行成像的最佳方式之一。

但是，尽管GCaMP指示剂多年来在许多方面有所改进，但它们的速度并没有得到很大的提高。当信号在神经元之间以大约2毫秒的速度传递时，GCaMP指示剂会在大约50毫秒后开始产生信号，并持续大约600毫秒。科学家们能够看到一组神经元被激活，但他们无法分辨出构成信号的单个峰值。

霍华德-休斯医学研究所的研究人员和其他团队试图制造更快的GCaMP指示剂，但速度的提高是以牺牲灵敏度和亮度为代价的。六年前，Looger和论文共同第一作者、霍华德-休斯医学研究所的Yan Zhang决定再次尝试。

构建更快的GCaMP

这些作者首先研究了GCaMP指示剂的特定结构。与钙离子结合的部分包含钙调蛋白（calmodulin）和一种称为RS20的肽。一旦与钙离子结合，钙调蛋白和RS20相互作用，产生钙调蛋白形状的变化，导致与钙调蛋白连接在一起的绿色荧光蛋白（GFP）发出更亮的荧光。

钙调蛋白和RS20之间的这种相互作用控制了GCaMP传感器的速度。通过将RS20更换为另一种肽，这些作者认为他们可能能够加快这种指示剂的速度。他们尝试了30种不同的肽，并找到了一种能够加快GCaMP信号的速度而又不失去太多灵敏度的肽。

GCaMP在神经元培养中的诱变和筛选。图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05828-9。

接下来，他们试图通过更换这种蛋白复合物的其他部分---“接头（linker）”和 “界面（interface）”---来提高灵敏度。他们在体外培养的神经元中测试了1000种不同的突变。最后，四年后，他们构建出超快速的指示剂，比以前的GCaMP更灵敏。他们在2020年发布了最初的jGCaMP8传感器，它们有三种变种用于不同的应用。

Zhang说，“以前的GCaMP太慢了，无法捕捉到完整的神经元信号。jGCaMP8的荧光信号的上升时间要快得多---在某些应用中，它甚至有2毫秒的半上升时间。”她指出，由于速度的提高，这类传感器更精确地跟踪钙离子浓度的变化。“与以前试图加快GCaMP的速度而损害了灵敏度相反，这些新的jGCaMP8可以产生更高的灵敏度，因为它在神经元活动期间捕获了更多的钙离子信号。”

论文共同第一作者、艾伦研究所的神经科学家Márton Rózsa说，jGCaMP8传感器的灵敏度和速度的提高将使人们能够进行他们以前做不到的实验。以前的传感器只允许人们在记录神经元群体时看到神经元活动的爆发，但jGCaMP8使他们能够在更大的范围内精确检测单个神经元的单一动作电位。

Rózsa说，“我们想了解大脑是如何处理信息的，如果我们没有记录大脑中存在的所有信息，那么我们将可能构建一种错误的模型。我们获得的信息越多，我们就能建立更好的模型，而这种新的传感器确实在推动我们朝这个方向发展。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Yan Zhang et al. Fast and sensitive GCaMP calcium indicators for imaging neural populations. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05828-9.