SWIR成像助力多巴胺释放及传播过程研究

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科学家研究发现，人类大脑会分泌多种令人感到幸福美好的“快乐激素”，其中一种叫作“多巴胺”的物质就是奇妙的神经信使，是人类大脑中和快乐有关的令人身心愉悦的化学物质。瑞典科学家阿尔维德·卡尔森教授凭借其在帕金森疾病中多巴胺的治疗作用研究，一举获得2000年诺贝尔生理学或医学奖。多巴胺作为神经递质能够调控神经系统的多种生理功能。多巴胺调节障碍涉及帕金森病，精神分裂症，Tourette综合症，注意力缺陷多动综合症和垂体肿瘤的发生等。所以多年来人们一直没有停止过对它的研究。美国霍华德·休斯医学研究所（Howard Hughes Medical Institute）珍妮亚研究园区（Janelia Research Campus）的研究人员就正在调查有机体对世界的感知和反应所需的庞大而复杂的网络。为此，研究人员需要研究神经元，神经元是神经系统的构建部分。神经元在高度专用的汇合点连接，形成复杂的网络。单个细胞通过释放化学信号（或神经递质），如多巴胺，在这些“突触”上进行交流。尽管突触在大脑中起着核心作用，但准确测量神经递质释放的位点及它们扩散的范围仍然是一个挑战。目前，对于科学家可用的大多数工具只允许对神经递质释放进行体积测量。为了解决这一局限性，Janelia团队开发了一种测量神经元释放神经递质的新方法，利用一种使用荧光纳米传感器的技术。当遇到多巴胺时，荧光纳米传感器会发出更亮的光。这些传感器形成一层非常薄的薄膜，神经元可以在其上生长；当细胞释放多巴胺时，传感器在遇到分子时会“点亮”。这项被称为DopaFilm（多巴膜）的技术准确地揭示了神经递质来自于哪里，以及它如何在细胞之间实时传播。特别是，这种方法表明多巴胺是从细胞中特定部位的“热点”中产生的；这也帮助了该团队研究多巴胺是如何从亚细胞隔室释放出来的，该现象以前没有很好方法表征。图1给出了实验的示意图和工作流程。图1 DopaFilm成像协议示意图（A）DopaFilm示意图 （B）用蓝色突出显示的大鼠中脑区域制备多巴胺神经元初代培养物的工作流程。神经元生长在培养皿里，培养皿底部是一个工程化的、化学敏感的、荧光的表面（DopaFilm）DopaFilm需要使用InGaAs传感器的相机进行光子检测，并对光学组件进行额外优化，以提升NIR/SWIR光子的传输。DopaFilm在0.85-1.35μm的近红外到短波红外区域的非光漂白荧光特性在光谱上与现有光学技术兼容，如图2所示。图2 DopaFilm能够询问树突释放的分子相关物图2给出了树突过程的活动及其对应的TH-GFP、MAP2和Bassoon标记图像。NIR ΔF/F图像对比度设置为0-30% ΔF/F。对于宽谱（可见光-SWIR，400–1400 nm）成像，该团队开发了一种定制显微镜（见图3），配备了两个光纤耦合NIR激光器，以激发NIR和SWIR荧光团：671 nm和785 nm激光器。显微镜配备了一个英国Raptor Photonics公司的Ninox 640-II相机，在SWIR范围内具有良好灵敏度。配置Ninox 640 II VIS-SWIR相机的定制显微镜参考：Ref [1] “Visualizing Synaptic Dopamine Efflux with a 2D Composite Nanofilm”https://elifesciences.org/articles/78773#fig5s7Janelia Research Campus, Howard Hughes Medical Institute, United States; Center for Advanced Imaging, The University of Queensland, Australia