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新的MRI传感器可以对大脑深处的活动进行成像

文章作者:www.cs-vaccine.com发布时间:2020-05-13浏览次数:957

钙是大多数细胞中的关键信号分子,在神经元中尤为重要。脑细胞中的钙成像可以揭示神经元如何相互通信;然而,目前的成像技术只能穿透几毫米进入大脑。

麻省理工学院的研究人员现在设计了一种基于磁共振成像(MRI)的钙活性成像方法,使他们对大脑有了更深入的了解。使用这种技术,他们可以跟踪活体动物神经元中的信号传导过程,使他们能够将神经活动与特定行为联系起来。

“这篇文章描述了第一个基于MRI的细胞内钙信号检测,它直接类似于神经科学中广泛使用的强大光学方法,但现在可以在深层组织中进行,”麻省理工学院,麻省理工学院教授艾伦教授亚萨诺夫说。生物工程,脑与认知科学,核科学与工程,以及麻省理工学院麦戈文脑研究所的准会员。

Jasanoff是该论文的高级作者,于2月22日在Nature Communications上发表。麻省理工学院的Alibar Randolph和Benjamin Battle是该论文的主要作者。麻省理工学院的高年级学生Catherine Williamson,麻省理工学院最近毕业的Emily Loucks和Arthur Amos Noyes化学荣誉教授Stephen Lippard也是该研究的作者。

进入单元格

在他们的静息状态下,神经元具有非常低的钙水平。然而,当它们发出电脉冲时,钙会涌入细胞。在过去的几十年里,科学家们已经设计出通过用荧光分子标记钙来对这种活动进行成像的方法。这可以在实验室培养的细胞中或在活体动物的大脑中完成,但是这种显微镜成像只能穿透十分之几毫米进入组织,将大多数研究限制在大脑表面。

“这些工具做得很棒,但我们想要的东西可以让我们和其他人更深入地了解细胞层信号,”Jasanoff说。

为了实现这一目标,麻省理工学院的团队转向MRI,这是一种非侵入性技术,通过检测注入的造影剂和细胞内水分子之间的磁相互作用来发挥作用。

许多科学家一直在研究基于MRI的钙传感器,但主要的障碍是可以进入脑细胞的造影剂的发展。去年,Jasanoff的实验室开发了一种测量细胞外钙浓度的MRI传感器,但这些传感器基于太大而无法进入细胞的纳米颗粒。

为了创造一种新的细胞内钙传感器,研究人员使用了可以通过细胞膜的构建块。造影剂含有锰,一种与磁场微弱相互作用并与可以穿透细胞膜的有机化合物结合的金属。该复合物还含有称为螯合剂的钙结合臂。

一旦进入细胞内,如果钙水平低,则钙螯合剂弱结合锰原子,从而保护锰免受MRI检测。当钙流入细胞时,螯合剂与钙结合并释放锰,这使得造影剂在MRI图像中看起来更亮。

“当神经元或其他称为神经胶质细胞的脑细胞受到刺激时,它们的钙水平通常会增加十倍以上。我们的传感器可以检测到这些变化,”Jasanoff说。

准确的测量

研究人员测试了大脑的传感器进入纹状体,纹状体位于大脑深处,参与规划运动和学习新的行为。然后,他们使用钾离子刺激纹状体神经元的电活动,并测量这些细胞中的钙反应。

Jasanoff希望使用这种技术来识别涉及特定行为或行为的小组神经元。因为这种方法直接测量细胞内信号传导,所以它可以提供比传统功能磁共振成像(fMRI)更准确的有关神经元活动的位置和时间的信息,传统功能磁共振成像测量大脑中的血流量。

“这可能有助于弄清楚大脑中的不同结构如何共同处理刺激或协调行为,”他说。

此外,该技术可用于成像钙,因为它具有许多其他作用,例如促进免疫细胞的活化。通过进一步的修改,它还可以用于大脑或其他器官的诊断成像,其功能取决于钙,例如心脏,一天。

该研究由美国国立卫生研究院和麻省理工学院的西蒙斯社会脑中心资助。