一陣濃郁的蕉香襲擊著黑暗中的一只果蠅，它“嗡嗡”地興奮起來，振翅要湊過去?？萍既請?bào)記者近日走訪北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院發(fā)現(xiàn)，研究人員正在試圖捕捉這只被釘在顯微鏡下的果蠅的“思想活動(dòng)”。“我們可以直接觀測到，果蠅感應(yīng)到氣味之后，腦中的多巴胺濃度變化?！闭谧鰧?shí)驗(yàn)的博士生曾健智說，“一會(huì)兒還會(huì)給它一些電信號(hào)刺激，觀察腦中多巴胺在不同刺激下的響應(yīng)?！?/p>

“聞香起舞”這個(gè)簡單的畫面在“腦圖譜”的維度是復(fù)雜的——香蕉揮發(fā)出的香氣分子被果蠅的嗅覺細(xì)胞捕獲，激發(fā)了嗅覺細(xì)胞通路中的信號(hào)轉(zhuǎn)換，將化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樯窠?jīng)電信號(hào)傳送至腦，電信號(hào)的到來催促著體內(nèi)多巴胺的分泌，通過打開細(xì)胞內(nèi)的通路，將神經(jīng)信號(hào)中氣味分子的信息傳遞出來。

如同“多米諾骨牌”，外界的刺激一張張傳遞下去，激起了生物體的反應(yīng)。由于多年來對活體動(dòng)物思維的即時(shí)、定位觀測始終未能實(shí)現(xiàn)，這些反應(yīng)具體發(fā)生在大腦中的哪個(gè)部分，人類仍無從得知。日前，新一期《細(xì)胞》雜志刊登了北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員李毓龍團(tuán)隊(duì)的研究成果：通過基因構(gòu)建的方法，他們開發(fā)出多巴胺熒光探針，宛如在深邃的思想迷宮中點(diǎn)燃“火把”，為此類相關(guān)研究“照亮”了多巴胺神經(jīng)環(huán)路。

動(dòng)態(tài)示蹤多巴胺信號(hào)變化

“將水母中的熒光基因和人源G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)基因聯(lián)合在一起，我們獲得了可以動(dòng)態(tài)示蹤多巴胺的工具?！崩钬过埜嬖V科技日報(bào)記者，這聽起來很簡單，但是神經(jīng)活動(dòng)的特性對探針提出了嚴(yán)苛要求。神經(jīng)活動(dòng)是稍縱即逝的，它必須反應(yīng)迅速;多巴胺的生成可能是痕量的，因此它必須敏銳;示蹤多巴胺必須可信不“犯錯(cuò)”，它必須準(zhǔn)確無誤……只有符合這些鐵一般的律條，才具備資格成為廣泛應(yīng)用的研究工具。

打磨工具的“原材料”正是能夠和多巴胺結(jié)合的GPCR?！八且粋€(gè)跨膜蛋白，它在結(jié)合多巴胺后會(huì)引發(fā)自身的構(gòu)象變化，我們想，如果能夠讓這樣的構(gòu)想變化產(chǎn)生熒光，或能解決問題?！闭撐牡谝蛔髡咧坏谋本┐髮W(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士井淼解釋道。這可以通俗地比喻為，多巴胺“按下”的按鍵此前只打開了大門，而要打造的新工具能讓打開的大門同時(shí)亮燈。

為此，團(tuán)隊(duì)選擇了5種GPCR亞型作為備選原材料?！拔覀兝梅肿涌寺〉姆椒▽⒕幋a熒光蛋白的基因與五種多巴胺受體的基因拼接起來，通過對融合蛋白的表達(dá)、定位及受體對多巴胺的親和力等指標(biāo)篩選出最好的亞型。”井淼說。

人工“拼接”后的基因表達(dá)會(huì)不會(huì)被細(xì)胞“認(rèn)可”?打造一款高效“探針”的第一個(gè)阻礙來自細(xì)胞內(nèi)部?！罢５腉PCR是膜蛋白，要檢測細(xì)胞外出現(xiàn)的多巴胺信號(hào)，蛋白必須要上膜，加了熒光蛋白以后，GPCR的性質(zhì)可能會(huì)變化，無法上膜。”井淼說。

精密運(yùn)轉(zhuǎn)的細(xì)胞在“零件”被改變之后能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)、經(jīng)過修飾的全新蛋白能否“繼承”原有的功能、基因遵循密碼子原則轉(zhuǎn)錄翻譯為氨基酸序列之后的蛋白裝配是否能完成抵達(dá)細(xì)胞膜發(fā)揮作用的任務(wù)等都是擺在課題組面前的“攔路虎”。

抵達(dá)膜上僅僅是第一步?！耙隚PCR接受信號(hào)分子多巴胺后產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)牽動(dòng)熒光蛋白扭轉(zhuǎn)后發(fā)光，兩個(gè)蛋白的連接方式起決定作用?！本到忉專坝械那闆r下，受體的構(gòu)象改變可能無法有效傳遞給熒光蛋白以產(chǎn)生熒光變化?！?/p>

知己知彼，百戰(zhàn)百勝。由于對GRCR蛋白三維構(gòu)象、核心基團(tuán)、結(jié)構(gòu)作用力等的精準(zhǔn)了解，李毓龍團(tuán)隊(duì)對其基因水平上的改造和雕琢，能夠做到恰到好處。實(shí)驗(yàn)證明，長時(shí)間表達(dá)該探針對模式生物的生長狀態(tài)無明顯影響。利用該探針，他們檢測到了電刺激小鼠腦片引發(fā)的多巴胺釋放，并在活體果蠅、斑馬魚和小鼠的大腦中檢測到了與嗅覺刺激、視覺刺激、學(xué)習(xí)記憶、交配行為相關(guān)的多巴胺信號(hào)變化。

精益求精，探針靈敏度不斷“進(jìn)化”

“人們可能從來不知道這里有神經(jīng)信號(hào)釋放，但是如果有一個(gè)非常靈敏的探針，就可能會(huì)看到?！本嫡f，文章接收后，團(tuán)隊(duì)始終在進(jìn)行探針的優(yōu)化工作，如今的探針比論文中的更加靈敏。

如果將人腦比喻成一張聯(lián)絡(luò)圖，科學(xué)家想要做的是按圖索驥，尋找例如記憶、情感等對應(yīng)的神經(jīng)活動(dòng)的詳細(xì)內(nèi)容。而未來這張圖的清晰度如何，是雪花、省流、標(biāo)清、高清還是1080P，則完全取決于探針的靈敏度。

在突破了第一個(gè)阻礙之后，探針迎來了“修煉式”優(yōu)化?！拔覀冎酪褵晒獾鞍椎幕蚝吞囟ǖ腉PCR基因連在一起，可是怎么連才最優(yōu)呢?”井淼說，靠左一點(diǎn)還是靠右一點(diǎn)，也可能需要在中間加一座連接的橋梁，橋梁又該怎么設(shè)計(jì)，這其中能排列組合出的方案數(shù)不勝數(shù)。

“我們通過找到一些對探針與多巴胺反應(yīng)起到關(guān)鍵作用的位點(diǎn)，對基因進(jìn)行定點(diǎn)突變，取得了探針優(yōu)化的效果?！本到榻B，實(shí)驗(yàn)中突變帶來的結(jié)果可能有好有壞，突變后會(huì)測試其與多巴胺的反應(yīng)，篩選出“改良版”，這些“改良版”隨后還會(huì)進(jìn)行組合嘗試，不斷篩選與優(yōu)化，向著更高的靈敏度“進(jìn)化”。經(jīng)過500多個(gè)突變的嘗試，團(tuán)隊(duì)最終獲得了具有高、低親和力的兩種版本探針，適用于多巴胺釋放量不同的腦區(qū)。

李毓龍認(rèn)為，探針靈敏度在未來的持續(xù)優(yōu)化和篩選中將可能不斷提高，使其有能力示蹤更多未知的神經(jīng)通路，發(fā)現(xiàn)人類不曾觀測到、還不知曉的神經(jīng)系統(tǒng)秘密。

捕捉神經(jīng)活動(dòng)，從“閃爍”變?yōu)椤岸嗖省?/p>

由于神經(jīng)元在放電的時(shí)候會(huì)爆發(fā)出一個(gè)短暫的鈣離子濃度高峰，神經(jīng)元鈣離子成像技術(shù)至今依然是人們觀測神經(jīng)活動(dòng)最為直接的手段?！半m然鈣離子成像能夠同時(shí)反應(yīng)成百上千個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)，但由于許多神經(jīng)遞質(zhì)都可以引發(fā)細(xì)胞內(nèi)鈣信號(hào)的變化，因此單純通過鈣成像難以知曉是何種神經(jīng)遞質(zhì)在發(fā)揮作用。”井淼說。

有文章評價(jià)，有了鈣成像技術(shù)，原本悄無聲息的神經(jīng)活動(dòng)就變成了一幅閃爍的壯觀影像。然而這種“全面開花”的成像方式難以“定點(diǎn)”“定性”反應(yīng)精細(xì)的問題。

“神經(jīng)元的興奮性變化是否是多巴胺介導(dǎo)的?是某一個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞始終分泌了多巴胺，還是分階段分泌不同濃度的多巴胺?是一整個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞的活動(dòng)，還是神經(jīng)元細(xì)胞中不同突觸的活動(dòng)?回答這些問題，才有可能弄清一些神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病理，從而有針對性地開發(fā)藥物?！崩钬过堈f。

如果說，鈣離子成像技術(shù)解決的是科學(xué)家終于可以“目擊”神經(jīng)信號(hào)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之中往來穿梭的問題，那么多巴胺熒光探針技術(shù)解決的是逐一“狙擊”神經(jīng)信號(hào)與現(xiàn)實(shí)的對應(yīng)關(guān)系。

與此同時(shí)，李毓龍團(tuán)隊(duì)還首次成功開發(fā)了靈敏、特異、可遺傳編碼的乙酰膽堿熒光探針，并成功在不同生物體系中實(shí)時(shí)檢測內(nèi)源乙酰膽堿信號(hào)，相關(guān)論文日前已在《自然·生物技術(shù)》雜志發(fā)表。可以想見，當(dāng)每一種神經(jīng)遞質(zhì)有一個(gè)不同顏色的探針對應(yīng)，那神經(jīng)活動(dòng)將從之前的“閃爍”變?yōu)椤岸嗖省保煌伾聿煌纳窠?jīng)活動(dòng)。有了趁手的工具，人們將在獲得“腦圖譜”的研究中邁進(jìn)一大步。