在最近的几十年中，科学家们了解了很多有关不同神经元如何相互连接和相互发送信号的知识。但是，很难追踪称为轴突的单个神经纤维的活动，其中一些神经纤维可以从脚尖延伸到头部。了解这些联系对于弄清大脑如何接收和响应来自身体其他部位的信号非常重要。
Salk研究所和加州大学圣地亚哥分校的研究人员正在报告一种追踪这些联系并确定神经元如何交流的新颖技术。该团队使用这种技术来揭示有关大脑如何响应小鼠视网膜所接收的光信号的细节，该细节于2019年10月15日发表在《细胞报告》(Cell Reports)中。
该论文的共同通讯作者萨尔克教授Satchidananda Panda说：“这项研究是一项突破，因为之前没有人知道如何研究这些联系。”“这项新技术使我们能够超越电子显微镜的局限性。”
新方法利用几种不同的实验室技术来理解一种称为内在光敏性视网膜神经节细胞(ipRGC)的神经元。这些在眼后部视网膜中发现的细胞表达一种称为黑素的蛋白质，该蛋白质可感知蓝光。
Salk和UCSD小组使用病毒将一种称为小单氧生成蛋白(mini-SOG)的蛋白传递给ipRGC，以便可以在选举显微镜下更详细地查看这些细胞。该系统旨在将mini-SOG束缚在光敏细胞的膜上，以便可以在光学和电子显微镜下轻松跟踪整个神经元，包括延伸到大脑不同部位的长轴突。
“由于开发了用于相关多尺度光和电子显微成像的新基因引入探针，我们基于Salk和UCSD的研究团队能够追踪从厘米到几毫米的神经细胞发出的细小过程，从视网膜到多个他们连接到对昼夜节律，眼睛反射和视觉至关重要的大脑区域的地方，”圣地亚哥加州大学圣地亚哥分校神经科学杰出教授，萨尔克(Salk)副教授马克·埃利斯曼(Mark Ellisman)说。“我们能够获得有关这些神经元细胞向复杂回路中下一个神经元发出信号所需的机制的前所未有的三维信息。”
该视频将先进的显微镜图像与插图相结合，以模拟在大脑中称为视交叉上核(SCN)的特定区域的移动，并追踪IPRGC在神经元之间的路径。图片来源：Keun-Young Kim /加州大学圣地亚哥分校
研究人员说，以前使用微型SOG的大多数工作都是在细胞系中完成的，并将其用于小鼠中以绘制视网膜神经元如何连接大脑的图。该方法使他们能够收集有关ipRGC与大脑不同部位之间连接的新信息。
已知ipRGC连接许多调节非常不同任务的大脑区域。这些细胞告诉大脑的一部分在外面有多亮，因此我们的瞳孔可以在不到一秒钟的时间内迅速闭合。相同的ipRGC还连接到大脑的主时钟，以调节我们的睡眠-觉醒周期。熊猫说：“但是，要让我们完全清醒，需要几分钟的光线。”“到目前为止，还不清楚相同的ipRGC如何在不同的时间范围内完成这些截然不同的任务。”
研究人员发现，差异与视网膜检测到的光到达大脑的方式有关。通过将微型SOG传递到小鼠的眼睛，它们能够将信号追踪到大脑的一部分，该部分在对光做出反应时会收缩瞳孔。
熊猫说：“这些连接要牢固得多，类似于从花园水管中倒水。”“而ipRGC和主时钟之间的连接较弱-更像滴灌。”由于ipRGC通过这种较慢的滴注系统将光信号传递到生物钟中心，因此任何有意义的信息到达并重置脑钟都需要更长的时间。
熊猫说：“这项研究有助于解释为什么当您在晚上起床喝水并打开电灯几秒钟后，通常就能立即入睡。”“但是，如果您听到外面的噪音，并在开着灯的情况下到屋子里走了半个小时，那会困难得多。会有足够的光信号到达大脑的主时钟神经元，最终唤醒其余的神经元。脑。”
熊猫说，这项新技术将对研究其他神经联系有用，因为研究人员可以使用相同的病毒在任何神经元中表达微型SOG，并询问不同的神经元如何与不同的附肢建立联系。
Ellisman补充说：“这些发现和方法为大脑研究人员研究正常和人类疾病动物模型中大脑的长距离布线提供了新的机会。”