提取神经递质

p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 神经递质，大脑中在突触传递中担当“信使”的特定化学物质，称作神经递质，简称递质。图1、图2为其示意图。随着神经生物学的发展，陆续在神经系统中发现了大量神经活性物质。在中枢神经系统（CNS）中，突触传递最重要的方式是神经化学传递。神经递质由突触前膜释放后立即与相应的突触后膜受体结合，产生突触去极化电位或超极化电位，导致突触后神经兴奋性升高或降低。神经递质组成复杂，包括多种生化物质。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201905/uepic/fbdc9fad-1519-44e3-a655-6b3885113b87.jpg" title=" 图片 1.png" alt=" 图片 1.png" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em " 图1 神经递质示意图 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201905/uepic/0c74c60c-889b-43a7-9e53-78cd8567cd74.jpg" title=" 图片 2.png" alt=" 图片 2.png" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em " 图2 大脑中的“神经递质”， span style=" text-align: justify text-indent: 2em " 黑质就被称为“神经递质” /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 要对神经递质进行分析，必须首先从活脑中提取神经递质，然后用HPLC-MS / MS进行分析，这实在有点匪夷所思，令人难以置信。然而，加拿大滑铁卢大学雅努什· 波利西恩（Janusz Pawliszyn）领导的团队成功了。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 从活脑中提取神经递质，本质上是侵入性的。但是，他们通过利用固相微萃取（SPME）技术，已设法使其成为非侵入性的。他们的方法是将涂有某种形式的吸收性SPME材料的细不锈钢丝插入活体的大脑中。由于钢丝较细，对大脑造成的干扰较小，雅努什的团队使用150μm粗的不锈钢丝。他们首先用酸蚀刻了不锈钢丝的下端部分，直到它只有100μm粗。然后，他们将SPME涂在蚀刻部分，将其直径又增加至150μm。最后，又在涂层部分再添加了50μm厚的覆盖层。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 该团队在特制的神经递质混合物（包括去甲肾上腺素，乙酰胆碱和5-羟色胺）上测试了各种不同的市售聚合物SPME材料，但没有一种被证明是理想的。问题在于性能最好的SPME材料是以相对较大的颗粒形式出现的，尺寸可达60μm，需要将其研磨成细粉末涂在钢丝上。但这种研磨导致材料失去了一些官能团，使其在吸收神经递质方面的效率降低。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 所以波利西恩和他的团队选择使用来自沃特世的一种名为HLB（亲水 - 亲脂平衡）的SPME材料，这种材料在吸收神经递质方面不如其他一些材料有效，但其颗粒直径却只有5μm，可直接应用于钢丝。然后，他们在颗粒表面添加了强阳离子交换（SCX）基团，提高了材料对神经递质的有效性。在吸收神经递质混合物方面时，HLB-SCX材料被证明优于任何其他测试的SPME材料。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " SPME材料确定后，他们用提取的脑组织和琼脂凝胶的混合物制成了人造大脑材料，以方便研究。在人造大脑材料中，加入了另一种神经递质混合物。他们发现，将HLB-SCX涂层的钢丝插入人造大脑，20min后，足以使HLB-SCX材料吸收令人满意的神经递质。将HLB-SCX涂层的钢丝取出，浸泡在水、乙腈和甲醇的混合物中，释放神经递质，然后以高效液相色谱 - 串联质谱（HPLC-MS / MS）仪进行分析。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 实验表明HLB-SCX材料可以从脑材料中提取几种加标的神经递质，包括去甲肾上腺素、乙酰胆碱和5-羟色胺，用于通过HPLC-MS / MS在低于生理水平进行鉴定。然而，其他神经递质，包括牛磺酸，谷氨酸和γ-氨基丁酸，只能在高于正常生理水平的浓度下检测到。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 最后，他们在活恒河猴猕猴的大脑上测试了他们的SPME方法。这包括在三个不同的场合同时将HLB-SCX涂层的钢丝插入猴脑的三个不同区域。当科学家用HPLC-MS / MS分析提取的物质时，能够检测到多种不同的神经递质，包括多巴胺、谷氨酸和色氨酸。他们用人工脑材料进行测试，甚至能够检测到牛磺酸，这是用生理检测方法检测不到的。他们还测量了大脑不同区域的不同浓度的神经递质，其中，在某区域发现的神经递质，在其它区域可能根本没有发现，即使在同一区域内，场合不同其神经递质也不同。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 在此成功之后，波利西恩及其团队正在计划使用他们的SPME方法对活恒河猴猕猴大脑中神经递质的分布进行详细研究。他们还在考虑进一步提高方法提取效率的方法，以便它可以解释可能存在的所有神经递质。 /p p style=" text-align: right text-indent: 2em " （编译：符斌 北京中实国金国际实验室能力验证研究中心研究员） /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 根据Brain extraction: A novel method for extracting neurotransmitters from live brains编写 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " Published: Apr 15, 2019 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" text-indent: 2em " Author: Jon Evans /span /p p style=" text-indent: 2em " SeparationsNOW.com& nbsp & nbsp sample Preparation Newsletter /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " br/ /p p br/ /p

今日，曼哈格和博莱克联合研发生产的蛋白质氨基酸/神经递质/儿茶酚胺检测试剂盒（液相色谱-串联质谱法）隆重推出。本次推出的3套kit是建立在高效液相色谱质谱平台上，可针对实验动物和人体血样、尿样中的20种蛋白质氨基酸、12种神经递质和6种儿茶酚胺进行精准定量检测。检测试剂盒检测指标▣ 20种蛋白质氨基酸Asparagine天冬酰胺proline脯氨酸Histidine组氨酸Tyrosine酪氨酸Serine丝氨酸Methionine甲硫氨酸Glycine甘氨酸Lysine赖氨酸Glutamine谷氨酰胺Valine缬氨酸Arginine精氨酸Isoleucine异亮氨酸Aspartic acid天冬氨酸Leucine亮氨酸Glutamic acid谷氨酸Phenylalanine苯丙氨酸Threonine苏氨酸Tryptophan色氨酸Alanine丙氨酸Cysteine半胱氨酸▣ 12种神经递质Norepinephrine去甲肾上腺素γ-Aminobutyricacid4-氨基丁酸Metanephrine甲氧基肾上腺素Octopamine章鱼胺Epinephrine肾上腺素Tyramine酪胺Dopamine多巴胺Agmatine胍丁胺Serotonin5-羟色胺Methoxytyramine甲氧酩胺Tryptamine色胺Histamine组胺▣ 6种儿茶酚胺Normetanephrine甲氧基去甲肾上腺素Epinephrine肾上腺素Norepinephrine去甲肾上腺素Dopamine多巴胺Metanephrine甲氧基肾上腺素Methoxytyramine甲氧酪胺产品优势

科技日报北京4月26日电 （记者刘霞）英国科学家首次在实验室制造出了由生物相容性材料制成的人工神经细胞，这项创新有朝一日可能会被用于合成组织，以修复心脏或眼睛等器官。相关研究发表于近日出版的《自然化学》杂志。神经元细胞是神经系统最基本的结构和功能单位，基本功能是通过接受、整合、传导和输出信息实现信息交换。在最新研究中，牛津大学哈根贝利团队设计出了一种合成材料，其作用方式与人类的神经细胞类似。这种人工神经细胞由水凝胶制成，直径约为0.7毫米，比人类神经细胞宽约700倍，但与鱿鱼体内的巨大轴突相当。它们的长度也可以达到25毫米，与从眼睛到大脑的人类视神经的长度相似。研究人员称，当光照在这种合成神经细胞上时，会激活蛋白质，将氢离子泵入细胞。这些带正电荷的氢离子随后通过神经细胞，携带电信号。当正电荷到达神经细胞顶端时，它会使神经递质化学物质三磷酸腺苷（ATP）从一个水滴移动到另一个水滴。在未来的研究中，研究人员希望能让合成神经细胞通过ATP信号与另一个神经细胞相互作用，就像神经细胞在突触上相互连接一样。随后，该团队将7个神经细胞捆绑在一起，作为一个合成神经并行工作。贝利说：“这使我们能够同时发送多个信号，它们的频率各不相同。这样做的主要目的是通过同一途径发送不同的信息。”巴斯大学的阿兰诺加雷特表示，这项创新将在本世纪末改善人工视网膜等神经植入物方面发挥重要作用，“在软材料中模拟神经活动是朝着开发出无创脑机接口和解决神经退行性疾病新疗法迈出的重要一步”。贝利希望最终能利用这些合成神经细胞同时输送不同类型的药物，以更快、更精确地治疗伤口，“利用光，我们可能会以一种特定模式释放药物分子”。不过，贝利团队也指出，与真正的神经细胞不同，新合成系统中没有循环和创造新神经递质的机制，因此这个神经细胞只能工作几个小时，人工神经细胞还有很长的路要走。总编辑圈点神经元细胞损伤后，不可再生，虽然可以修复，但难度也不低，且需要时间。这次，科学家首次在实验室制造出了由生物相容性材料制成的人工神经细胞，它能部分发挥真正神经细胞的作用，能传递信息，但只能工作几个小时。需要注意的是，研究人员自己也给出了一个时间表，他们说，这项创新或将在本世纪末在改善人工视网膜等方面发挥重要作用。本世纪末！看来，要从实验室成果变成真正能用于临床的医疗手段，还需要艰苦卓绝的努力。

● 快讯近日，同济大学医学院附属上海市第十人民医院神经内科赵延欣教授及刘学源教授课题组在细胞外囊泡与神经退行性疾病关系研究领域取得了新的进展。该项研究从小细胞外囊泡的角度为阿尔兹海默症中发生的兴奋抑制失衡提供了新见解。相关研究成果已发表在国际知名期刊《Journal of Nanobiotechnology》（IF:10.435，JCR 2区）。图1｜国际知名期刊《Journal of Nanobiotechnology》（IF:10.435，JCR2区）细胞外囊泡 (EV) 是由细胞释放到细胞外环境中的小囊泡。EVs 由脂质双层膜组成，该膜包裹着小的无细胞器的细胞质。根据它们的大小，通常分为三种类型，小EVs (sEVs) (50-150 nm)、大EVs (100-1000 nm) 和凋亡小体 ( 5 μm)。其中，sEVs 通常可通过血脑屏障 (BBB)，成为中枢神经系统 (CNS) 细胞之间通讯的关键介质，有证据表明，sEV 中的微小RNA (miRNA)参与到众多细胞和生物过程，例如神经元细胞的生长和凋亡。目前，E/I（兴奋/抑制）失衡假设被概念化为谷氨酸能和氨基丁酸（GABA）能突触输入之间的不平衡。E/I 失衡被认为是神经退行性疾病脑功能障碍的基础，包括阿尔茨海默病 (AD)、帕金森病 (PD)、精神分裂症和其他神经疾病。谷氨酸兴奋性毒性和 GABA 能神经元功能障碍似乎是 AD 中发生的神经元细胞死亡的关键原因。但是关于 E/I 失衡对AD的影响，其中的机制仍不明确。为了对该机制进行进一步阐释，赵延欣教授及刘学源教授团队在本研究中用谷氨酸/GABA/PBS 处理原代培养的神经元，并分离出 sEV。然后，将不同来源的 sEV 添加到用 Aβ（β淀粉样蛋白）处理的神经元或注射到 AD 模型小鼠中。此后对经 Aβ 治疗的小鼠和神经元进行了评估。经GABA 处理的神经元释放的 sEVs 减轻了 Aβ 诱导的损伤，而谷氨酸处理的神经元释放的 sEVs 加重了 Aβ 的毒性。此外，本研究通过 miRNA 测序比较了从谷氨酸/GABA/PBS 处理的神经元中分离的 sEV 的 miRNA 组成。该研究进一步表明，sEV 中 miR-132 的变化加速了表征病理的生化改变。图2｜实验方案示意图分离原代神经元后，用谷氨酸/GABA/PBS 处理原代培养的神经元，并分离出 sEV。将不同来源的 sEV 添加到用 Aβ 处理的神经元或注射到 AD 模型小鼠中，并对小鼠进行MWM测试。文章中，在评估在小鼠体内系统传递的 sEVs 的分布的实验中，使用了博鹭腾AniView100多模式动物活体成像系统拍摄。该实验中使用近红外染料DiR进行标记，同时进行了阴性对照实验（仅注射 DiR，不注射 sEV）。通过 APP/PS1 小鼠的尾静脉注射 DiR 标记的 sEV，使用Aniview100活体成像系统在注射后 24 小时拍摄小鼠的图像并评估分布情况。在带有 DiR 标记的 sEV 的小鼠的大脑和重要器官中均检测到荧光。随后，处死小鼠，取出器官并成像，目的为识别荧光信号来源的器官并使信号干扰最小化。此外，为了排除游离染料干扰实验结果的可能，在收集器官前用不含 sEV 的游离 DiR处理小鼠。实验结果显示，脑、心、肝、肺、脾、肠、肾均呈不同程度荧光。图3｜sEV的体内外分布情况在注射 DiR 标记的 sEV 后 24 小时，使用活体成像系统对A - C活小鼠进行成像。a)、小鼠背面成像b)、小鼠腹侧成像c)、收集指定器官后使用活体成像系统成像本研究中证明了 sEV 的功能可以受神经递质平衡状态的调节，并对神经元中的 Aβ 毒性有不同的影响。并且该研究从 sEV 的角度为 AD 中发生的 E/I 失衡提供了新见解，并表明通过GABA 能系统对 sEV 进行生物学改造可能是预防或减轻 AD 发病机制的治疗途径。论文链接：https://doi.org/10.1186/s12951-021-01070-5

神经元里也有线粒体，线粒体在应激状态下产生能量来执行细胞功能和调节神经元存活。　　Kasturba健康协会医学研究中心的Ashok Vaidya博士和塔塔基础研究所的Vidita Vaidya、Ullas Kolthur-Seetharam两位教授课题组合作，阐明神经递质5-羟色胺（又称血清素）在神经元的新线粒体生成（一种称为线粒体生物发生的过程）中具有不寻常的功能。5-羟色胺的作用涉及5-羟色胺2A受体，以及线粒体生物发生、SIRT1和PGC-1α的主调节器。5-羟色胺能减少神经元中的毒性活性氧，增强抗氧化酶，缓冲神经元免受细胞应激的破坏。这项研究发表在《PNA》上，揭示了5-羟色胺在神经元能量产生中的作用，直接影响了神经元如何处理压力。神经元中的线粒体功能对于决定神经元如何应对压力和衰老轨迹至关重要。这项工作提供了令人兴奋的证据，证明神经递质5-羟色胺可以直接影响神经元的动力，从而影响神经元的抗压方式。这项工作确定了治疗神经元线粒体功能障碍的新药物靶点，具有治疗神经变性和精神疾病的潜力。

自发性疼痛是指在没有外界刺激的情况下发生的疼痛。它是慢性疼痛的主要症状。发生机制仍不清楚，仍然难以治疗。近期，来自约翰霍普金斯大学和辛辛那提大学的研究团队利用在体成像技术研究了同步聚集放电引起神经损伤后的自发性疼痛发生机制，证实交感神经-肾上腺素受体通路介导了同步聚集放电和自发性疼痛的产生。该研究成果发表在《Neuron》上，题为：Synchronized cluster firing, a distinct form of sensory neuron activation, drives spontaneous pain。　　研究人员对背根神经节（DRG）神经元进行了在体成像，发现周围神经损伤后异常自发活动的一种独特形式：相邻的DRG神经元聚集同步、偶尔性放电。聚集放电水平与神经损伤诱发的自发性疼痛行为直接相关。研究人员进一步证明了聚集放电由交感神经的活动触发。交感神经在损伤后会传导到DRG，去甲肾上腺素是介导这种独特放电的关键神经递质。交感神经活性和去甲肾上腺素受体对于DRG神经元同步聚集放电和自发疼痛行为至关重要。　　这项研究提出了阻断交感神经介导的同步聚集放电可能是治疗自发性疼痛的新手段，为在临床上靶向该通路治疗神经损伤引起的自发性疼痛提供了理论支持和研发方向。 　　论文链接：　　https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0896627321008345?via%3Dihub

中国医学科学院北京协和医学院药物研究所贺玖明研究员团队以封底文章在《药学学报》英文刊（APSB）2022年第8期（IF：14.903）发表了题为“A temporo-spatial pharmacometabolomics method to characterize pharmacokinetics and pharmacodynamics in the brain microregions by using ambient mass spectrometry imaging”的研究论文，建立了一种时空分辨的代谢组学方法（基于AFADESI-MSI的时空药物代谢组学），可全景式描绘脑中药物代谢和效应的时空特征，为中枢神经系统作用新药研发提供了一种有力的可视化工具和新的视角。　　封底图 | 表征鼠脑中中枢神经药物的微区域药代动力学和药效学的时空代谢组学方法策略和工作流程　　研究背景　　中枢神经系统（CNS）具有复杂而脆弱的结构，在大脑的许多微区域之间具有高度的互连性和相互作用。大脑是人体复杂的器官，可以细分为许多微区域。脑中多种内源性功能代谢物在不同的微区分布不均匀。脑微区的代谢酶、受体、配体、蛋白和血流的功能差异也会导致药物的空间分布和疗效差异。大脑是中枢神经系统疾病的靶点，大多数中枢神经系统药品只有在进入大脑后才会发挥作用。因此了解药物及相关内源代谢物在大脑中的原位分布的信息对于评估药物疗效、毒理学和药代动力学具有重要意义。　　目前研究大脑的常用功能性脑成像技术（包括组织化学标记、免疫荧光、MRI、PET、全身放射自显影等），仅提供脑组织结构的图像，不能在分子水平上进行分析，可监测的物质种类也有限。另一方面，脑内药物分析通常使用的基于组织匀浆或微透析采样的高效液相色谱-质谱（HPLC-MS）技术获得的结果仅能反映采样微区的平均代谢水平，而缺乏分子在整个大脑中的空间分布的信息。质谱成像技术（MSI）不需要复杂的预处理和特殊的化学标记，具有高通量、高灵敏度和高分辨率的特点，可检测已知或未知小分子代谢物的定性、定量和空间分布信息。　　本研究使用AFADESI-MSI空间代谢组学研究表征了临床中枢神经系统药物奥氮平（OLZ）和大鼠脑内内源性代谢物，并进行了给药期间的时空变化以及脑微区药物动力学和药效学研究，成功地展示了OLZ及其作用相关代谢物的时空特征，并为中枢神经系统药物作用的分子机制提供了新的见解。　　研究思路　　研究方法　　1. 实验分组/研究材料：饲养一周的雄性 Sprague-Dawley 大鼠　　（1） 实验组：4组（3只/组），口服OLZ溶液（50mg/mL）后 20 分钟、50 分钟、3 小时和 12 小时用高浓度乙醚。　　（2） 对照组：1组，3只/组　　2.技术路线　　2.1. 鼠脑的微区划分：15个微区，包括尾状壳核（CP）、大脑皮质（CTX）、海马（HP）、下丘脑（HY）、丘脑（TH）、小脑皮质（CBC）、小脑髓质(CM)、髓质 (MD)、脑桥 (PN)、大脑导水管 (CA)、中脑 (MB)、穹窿 (FN)、梨状皮质 (PC)、嗅球 (OB) 和胼胝体 (CC)。　　2.2 质谱成像：AFADESI-MSI分析（全扫描及MS2扫描）　　2.3代谢物定性：人类代谢组数据库 (www.hmdb.ca)、Metlin、MassBank和LIPID MAPS　　研究结果　　1.通过AFADESI-MSI绘制大鼠大脑中的内源性代谢物和药物图谱　　无论是正离子模式还是负离子模式，使用AFADESI-MSI空间代谢组学均可从治疗组和对照组脑组织切片中获得内源性代谢物信息。在100-500 Da的低质量范围内，可以检测到氨基酸、核苷、核苷酸、有机酸、脂肪酸等极性小分子代谢物和γ-氨基丁酸 (GABA)、肌酸、肉碱、乙酰肉碱和磷脂酰胆碱等神经递质类代谢物；在500-1000 Da的高质量范围内，可以检测到一些脂质，包括鞘磷脂（SM）、磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰胆碱（PC）、溶血磷脂酰胆碱（LysoPC）和磷脂酰肌醇 (PI) 等。原型药物 OLZ 及其代谢物 2-羟甲基 OLZ 在正离子模式下被检测，结果如图1C1和D1所示。这些结果表明，非靶向质谱成像的方法可以在一次实验中同时绘制外源性药物和内源性代谢物的图谱，并可以获得它们的空间分布特征和微区域丰度变化。　　图1 | 使用 AFADESI-MSI 从脑组织切片获得的外源性药物和内源性代谢物的质谱成像结果　　2.鼠脑中奥氮平（OLZ）及其代谢物的时空变化　　OLZ是一种用治疗精神分裂症的药物，大脑是其主要靶器官。本实验为探究给药时间药物在大脑各功能微区的分布情况，分别在给药后20 min、50 min、3 h和12 h收集治疗组和对照组大鼠脑组织进行MSI分析。OLZ 及其代谢物 2-羟甲基 OLZ 的在鼠脑分布结果如图2A所示。　　这些结果表明，OLZ 可以很容易地穿透脑血屏障，主要分散在脑室和脑实质组织中，但并不是均匀分布在大脑的所有微区域中。给药后20分钟发现OLZ主要分布在大脑皮质中。50分钟后，OLZ的水平显著增加。随着时间的推移，大脑中的药物信号迅速下降到成像检测限以下。同时作者发现，2-羟甲基OLZ主要分布在穹窿中，其在各个微区的分布格局与OLZ不同。　　这些结果表明，OLZ药物的吸收、分布和代谢的速率在大脑的不同微区不同，表明微区对药代动力学有影响。它还证明了所提出的基于AFADESI-MSI 的时空药物代谢组学方法能够同时说明药物及其代谢物在大脑复杂微区域中的水平和空间分布的变化。　　图2 | 脑微区OLZ和其代谢产物2-羟甲基OLZ的时空变化　　3.OLZ 对神经递质类代谢物的的微区调控　　OLZ药物治疗精神分裂的作用机制是阻断多巴胺 D2 受体或血清素 2A 受体调节神经递质类代谢物（NTs）。然而OLZ的微区效应和分子作用机制仍不清楚。因此作者分析了与OLZ生理活动密切相关的NTs的时空变化，包括GABA、Glu、谷氨酰胺 (Gln) 和腺苷。NTs的AUC变化率如图3B1-B7所示。　　GABA（γ-氨基丁酸）是中枢神经中的一种神经递质，可抑制神经中枢。空间代谢组检测结果显示GABA（m/z 104.0706）主要分布在下丘脑中，药物干预后下丘脑的 GABA 受到轻微调节。但同时在梨状皮质和嗅球中观察到药物干预后GABA显著上调。Glu 是中枢神经中的一种主要神经递质，对神经细胞具有兴奋作用。在药物干预后，Glu及其代谢物Gln的时空动态模式在脑部微区中呈现出相对一致的变化趋势。腺苷广泛分布在中枢神经系统中，是大脑中的一种兴奋性和抑制性神经递质，并在脑中不均匀分布。并且在给药3小时后海马和下丘脑中的高水平腺苷显著增加，表明当药物积累时腺苷的上调会更加明显。组胺、乙酰胆碱（Ach）、牛磺酸等神经递质类物质都有各自特征的微区分布，以及在给药后具有上调的趋势。　　上述神经递质类物质的靶向成像分析结果表明，该方法可以检测到与中枢神经药物作用机制相关的大量原型药物及其代谢物和内源性代谢物的空间分布和变化。这对于阐明中枢神经系统药物的作用机制和了解精神分裂症及相关疾病具有重要意义。　　　图3 | 药物对脑内NTs分布和AUC变化率的影响　　4. OLZ 药物干预的微区代谢调控　　组织和器官的内源性代谢变化可以反映药物刺激的效果。为探索药物干预后的微区代谢效应，通过药物代谢组学测试研究了内源性代谢物的分子谱及其动态变化的分布信息。分别在OLZ和生理盐水给药后 50分钟采集每组治疗和对照大鼠的三个脑组织样本进行微区域分析。　　OPLS-DA结果表明，基于正离子模式和负离子模式下脑微区的定量分析，对照组和治疗组分别明显分开。总共筛选和鉴定了 90 种差异内源性代谢物，作为药物作用相关效应物,它们在大脑微区域中发挥了巨大作用。其中81种被MS2鉴定，9 种被同位素模式鉴定。差异代谢物包含了很多种类型的代谢物，包括氨基酸、脂肪酸、甘油磷脂、有机酸、多胺和酰基肉碱。　　经过分析确定了治疗组和对照组之间显著差异的七种代谢途径，包括丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢、D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢、牛磺酸和亚牛磺酸代谢、淀粉和蔗糖代谢、甘油磷脂代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、精氨酸生物合成、嘌呤代谢和柠檬酸循环（TCA循环）。下面对影响较大的丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸和甘油磷脂代谢的异常代谢途径进行重点分析。　　图4 | 对照组和治疗组中鉴定的差异代谢物的层次聚类分析 (HCA)　　4.1 丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢紊乱　　异常的Glu-Gln循环在精神分裂症的病理生理过程中起重要作用。丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢途径代谢物在老鼠脑的时空分布如图5所示。柠檬酸在大脑大部分微区分布均匀；与对照组相比，表达显著提高，结果提示药物干预加速了TCA循环的代谢，为机体提供了更多能量。Glu也均匀分布在各个微区，药物干预后呈下调趋势。它的代谢物Gln 和 GABA，主要在下丘脑和的多个微区中上调。　　根据通路分析和代谢谷氨酸脱羧酶（GAD）酶反应，推测OLZ直接激活GAD促进GABA合成。GABA可增加糖酵解中己糖激酶的活性，从而加速葡萄糖的代谢。空间分布结果表明葡萄糖分布在大脑的所有微区，但给药后主要分布在梨状皮质和嗅球中，给药后20分钟血糖水平显著升高。　　图5 | 丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢途径代谢物的时空分布　　4.2.甘油磷脂代谢途径的紊乱　　甘油磷脂有助于控制肝脏脂质代谢，促进记忆力，增强免疫力，延缓衰老。甘油磷脂代谢途径代谢物的时空分布如图6。这项研究的结果表明，在给药后，大多数脂质在大多数微区域中显示出上调。OLZ在临床应用中具有代谢副作用，如体重增加、血脂异常、高甘油三酯血症和胰岛素抵抗。实验结果证明，脂质代谢的上调可能导致OLZ治疗期间的副作用。　　图6 | 甘油磷脂代谢途径代谢物的时空分布　　相关讨论　　作者开发的时空药物代谢组学方法，使用质谱成像技术MSI来表征大脑中枢神经药物的药代动力学和药效学。结果表明，该方法可有效识别与药物作用相关的内源性分子效应物。评估OLZ药物对脑组织的微区域效应，并证明其穿过血脑屏障后的微区域药代动力学和药效学方面的有效性。该方法清楚地展示了原型药物及其代谢物 2-羟甲基OLZ在大鼠大脑不同微区的药代动力学。也在脑部微区现一些神经递质类物质和其它小分子极性代谢物，并显示出与药物干预相关的多种代谢途径。发现天冬氨酸、谷氨酸和甘油磷脂代谢途径的调节可能与 OLZ 临床使用观察到的治疗和不良反应有关，为了解其作用的分子机制提供了关键信息。　　小鹿　　与基于LC-MS的常规药物代谢组学分析手段相比，基于AFADESI-MSI的时空药物代谢组学技术具有同时检测内源性和外源性物质的静态水平变化，并提供大脑不同微区的动态时间依赖性趋势和空间分布信息的优势，能够非常准确地呈现原位和微区域分子变化规律。在此基础上将药代动力学和药效学与代谢途径相关联，有利于获得关键信息，从而更深入地了解药物作用的分子机制。基于AFADESI-MSI 的时空药物代谢组学技术不仅是阐述中枢神经系统药物的原位药代动力学和药效学全面有效的工具，也可为脑组织内源性代谢物的变化以及其它动物组织的原位代谢研究提供重要信息。　　该研究工作，药物所2017级硕士研究生刘丹为作者，贺玖明研究员为独立通讯作者。工作得到国家自然科学基金和医科院创新工程项目的资金资助。

为什么我们会感觉到饥饿？为什么进食之后会出现饱腹感？我们能感知到大脑与肠道的紧密联系，以往的研究认为这种感知与触觉、视觉、声音、气味和味觉通过受神经支配的上皮传感器细胞传递到大脑不同，肠道刺激的感知被认为涉及消化系统和中枢神经系统之间信号传递的肠道-大脑连接（gut-brain connection）是以激素转运为基础的，这种基于激素的信号传递大约需要10分钟。在肠道中，有一层上皮细胞将腔与下面的组织分开。分散在该层内的是称为肠内分泌细胞的可电兴奋细胞，它们感知摄入的营养物质和微生物代谢物。与味觉或嗅觉受体细胞一样，肠内分泌细胞在存在刺激时会激发动作电位。然而，与其他感觉上皮细胞不同，肠内分泌细胞和脑神经之间没有突触联系的描述。人们认为这些细胞仅通过激素（如胆囊收缩素）的缓慢内分泌作用间接作用于神经。尽管它在饱腹感中起作用，但胆囊收缩素的循环浓度仅在摄入食物后几分钟达到峰值，并且通常在用餐结束后。这种差异表明大脑通过更快的神经元信号感知肠道感觉线索。来自美国杜克大学医学院的科学家们，利用Milo，揭示迷走神经（vagus nerve）可直接连接着肠道与中枢神经系统。相关研究结果发表在Science期刊上，标题为“A gut-brain neural circuit for nutrient sensory transduction”。Milo单细胞Western Blot 验证肠分泌细胞存在神经突触相关蛋白本文使用与小肠类器官或纯化的肠内分泌细胞共培养的结节神经元，在体外重现了神经回路。并结合单细胞定量实时聚合酶链反应和单细胞Western Blot（Milo）共同对突触蛋白进行检测和评估。利用Milo在蛋白水平进行了进一步的验证：单细胞蛋白质印记结果显示83%肠内分泌细胞含有synapsin-1（分析的198 CckGFP细胞中的164个），与其他肠上皮细胞相比，纯化的CCK-肠内分泌细胞表达突触粘附基因Efnb2、Lrrtm2、Lrrc4 和 Nrxn2，表明这些上皮传感器具有形成突触的机制。为了确定与肠内分泌细胞接触的突触的神经元的来源，本文使用了一种改良后的狂犬病毒(DG-rabies-GFP，能感染神经元，但缺少跨突触传播所需的G糖蛋白)，发现在肠道类器官中，狂犬病比其他上皮细胞更喜欢感染肠内分泌细胞。并且肠内分泌细胞与迷走神经元突触，通过使用谷氨酸作为神经递质，在几毫秒内转导肠腔信号。这些突触连接的肠内分泌细胞（神经足细胞）形成的神经上皮回路通过一个突触将肠腔与脑干连接起来，为大脑打开一条物理管道，以突触的时间精度和空间分辨率感知肠道刺激。也正是这些突触信号神经足细胞告诉大脑肠道中发生的事情，对我们吃的食物做出一定的反馈。

p style=" TEXT-ALIGN: center" img title=" 神经细胞.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201704/noimg/5ea1ac41-e831-42dc-ab38-5e418c9181f5.jpg" / 　 /p p 　世界上没有两片完全相同的叶子，细胞也是。然而，科学家们在进行现代生物学研究时，大多时候都考察的是细胞群体，而忽略了细胞异质性。 /p p 　　就拿神经细胞来说，大脑中有亿万个神经细胞，这些神经细胞在细胞形态，突触连结，细胞结构，电生理以及生理功能上具有高度的多样性。不同种类的神经细胞中，其基因组、蛋白组、化学分子组成、含量、代谢也都有着很大的差别。在直径不到1毫米的一个很小的脑区，可能就存在几十种甚至上百种完全不同的神经元以及胶质细胞类型。甚至很多情况下，即使物理距离上相邻的两个神经元也可能是两个不同的神经元类型。因此，对脑内单个神经元的基因组、蛋白质组以及代谢组进行分析，具有重要的生物学价值。 /p p 　　单细胞技术在近年发展非常迅速，比如单细胞测序，已经广泛应用于各种生命学科的研究。2014年1月Nature Methods上发表的年度特别报道，将“单细胞测序”(Singled out for sequencing)的应用列为2013年度最重要的方法学进展。 /p p 　　单细胞技术不仅在测序方面取得了极大进展，单细胞质谱分析也正在逐渐得到更多的关注。与用于分析单个细胞基因组的单细胞测序不同，单细胞质谱主要是研究单个细胞内的代谢物情况，例如化学小分子的组成、含量和代谢等等。单细胞质谱的优势在于可以高通量检测目前其它单细胞技术无法检测的小分子化合物，以及它们的代谢过程。同时，由于质谱本身的优势，不需要采取测序或者特异性抗体等外部手段，就可以精确分析检测到的化学物质信息，可以说是“物美价廉”。 不过，由于质谱技术本身的局限性，目前还无法做到类似单细胞测序那样的大规模测量。 /p p style=" TEXT-ALIGN: center" 　　　　多学科交叉合作，开发单神经细胞质谱 /p p 　　2013年，熊伟教授结束了在美国国立卫生研究院的博士后研究工作，回国后加入了中国科学技术大学生命科学学院。在申请中组部“青年千人计划”时，熊伟教授认识了另一位中科大化学学院的“青千”黄光明教授，当时，黄光明教授课题组正在发展一种小样品(pL级别)质谱测量技术。经过多次讨论，他们决定将两个实验室的优势技术进行结合，开发单神经细胞质谱这一新技术。 /p p 　　目前质谱技术在神经科学中的应用，主要还是采用对大量组织细胞匀浆后的样品进行分析。在单细胞检测中，质谱分析因为具有高灵敏度，大的线性范围以及高通量分析化学分子的特点，逐渐被用于单细胞的细胞代谢分析。但目前的方法需要使用大量有机试剂对细胞进行处理，无法保持采样时细胞的活性 冗长的处理和分离过程也导致较慢的分析速度，无法短时间内完成大量单细胞分析 并缺乏来自同一细胞的电生理信号 最终导致单细胞代谢物的质谱分析无法大规模用于神经细胞的分析。 /p p style=" TEXT-ALIGN: center" 　　新技术让质谱分析活体单个神经元成为现实 /p p 　　2017年1月26日，熊伟教授与黄光明教授等人在PNAS上发表了一项题为“Single-neuron identification of chemical constituents, physiological changes, and metabolism using mass spectrometry”的研究。在这项新研究中，研究团队依托电生理膜片钳以及电喷雾离子源技术建立了一种稳定的单神经元胞内组分取样和质谱组分分析技术。 /p p 　　 img title=" 神经细胞2.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201704/noimg/6e5915a4-ec84-4cb3-b4c3-d7724a1fc4d3.jpg" / /p p & nbsp /p p style=" TEXT-ALIGN: center" & nbsp 　 span style=" FONT-SIZE: 14px" 膜片钳与单细胞质谱分析联用技术分析单个神经细胞示意图 /span /p p 　　电生理膜片钳能将玻璃微电极接触并吸附在细胞膜上，高阻抗封接后将膜打穿成孔，记录膜片以外部位的全细胞膜的离子电流。而电喷雾技术主要是利用一个高压交流电使分析物被离子化然后被质谱检测，该离子源具有较强的抗干扰能力。与传统的质谱方法相比，这一新方法最大的优势是可以原位对活细胞进行取样，并且同时采集细胞位置、电生理活动以及细胞内化学成分等多方面的信息。 /p p style=" TEXT-ALIGN: center" 　　质谱分析让神经化学研究进入单细胞水平 /p p 　　研究人员利用这一方法对小鼠海马、前额叶、杏仁核、纹状体等脑区单个神经元内的数千种化学小分子进行了快速质谱检测，并同步采集了电生理信号。 /p p 　　海马、前额叶、杏仁核、纹状体这四个核团无论是在人类还是低等动物中都非常重要，与学习、记忆和情绪等行为以及相关疾病如阿尔茨海默病、帕金森病等有着密切的联系。这些核团内的神经元种类繁多，目前国内外有多个课题组正在从单细胞测序的角度解析这些核团的神经元分类及对其功能进行鉴定。熊伟教授表示，他们对这四个核团神经元进行质谱研究，也正是想从单细胞水平全面分析这些核团神经元的代谢组学情况，以及这些代谢通路和代谢组在学习、记忆和情绪等行为及其相关疾病中的作用机制。 /p p 　　在这项研究中，研究人员主要对不同年龄段的小鼠海马、杏仁核、纹状体等脑区单个神经元中的谷氨酰胺(Gln)、谷氨酸(Glu)以及GABA等化学小分子进行定性、定量分析并对其进行神经元分类。 /p p 　　Glu和GABA是中枢神经系统两大类神经递质(兴奋性或抑制性)的代表性分子。早期人们认为一个神经元内只存在一种递质，其全部末梢只能释放同一种递质，这被称之为戴尔原则(Dale& #39 s principle)。然而随着科学技术的发展，人们逐渐认识到两种或两种以上递质(包括调质)可存在于同一神经元内，在适当的刺激下可经突触前膜共同释放。这种新的观点得到了众多电生理及免疫组化等实验的证明。然而这些证据大部分都是间接的证据，尚无直接证据表明二者的共存。这项研究首次在单细胞水平，通过质谱分析给出了二者共存于同一神经元内的直接证据。同时，研究人员还发现了一些尚未在神经系统中被发现的小分子，他们正在努力研究其作用和分子机制。 /p p 　　此外，研究还鉴定了单个神经元内谷氨酰胺的代谢路径。Gln-Glu-GABA通路是谷氨酸和GABA代谢的经典通路，尤其是谷氨酸，它不仅仅作为兴奋性神经递质存在于神经元内，还大量参与到蛋白质的合成代谢以及细胞能量供应体系中。而GABA是中枢神经系统的抑制性递质，可以防止神经细胞过度兴奋。二者与各种脑疾病都有着密切的关系，如自闭症、阿尔茨海默病、帕金森病等。该通路在大脑的发育和衰老中扮演着非常重要的角色。对单个神经元内谷氨酰胺的代谢路径的鉴定对于深入理解这条代谢通路以及与之相关的疾病机制具有重要意义。 /p p 　　这项研究首次利用化学质谱方法直接无稀释地检测单个神经元中多种神经递质、代谢物、脂质等化学小分子，对单个神经元化学成分及代谢物进行了即时分析，并将目前神经细胞成分分析的研究推向了一个活细胞及单细胞水平。这一技术在将来或许能够帮助科学家们在单细胞层次上去研究神经生物学、代谢组学、毒理学等生命科学的重大问题。 /p p 　　谈到临床应用前景时，熊伟教授的态度也十分肯定。他表示，该技术允许研究人员对血液、脑脊液等样品中的单个细胞进行质谱检测，结合相应的生物标记物，完全有可能对阿尔茨海默病、帕金森病、抑郁症等神经精神疾病的早期诊断提供帮助。 /p p 　　　熊伟教授从事神经科学研究，他认为现代神经科学研究需要技术的快速研发以及多领域多学科的交叉合作，必须发展包括显微成像、分子示踪、质谱分析、光遗传学以及转基因操作等最新的生物、物理、化学与工程材料等多学科交叉技术。熊伟教授表示，对他而言，科研不仅仅是工作，也是兴趣，尤其是对新技术的热切追求，驱动着他不断前行。熊伟教授及其研究团队也正在和中国科大的其它实验室展开合作，和不同的领域的科学家交流和分享科研心得是一种享受。 /p p 　　该项工作由中科大生命学院博士后朱洪影、生命学院博士研究生邹桂昌、王宁在熊伟教授和黄光明教授的共同指导下完成。该研究工作得到了国家自然科学基金委重大研究计划、科技部、中科院战略性先导科技专项(B类)以及国家青年千人计划等的资助。该工作还得到中国科学技术大学同步辐射实验室光电离质谱线站的仪器与技术支持。　 /p p style=" TEXT-ALIGN: center" & nbsp img title=" 熊伟.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201704/noimg/2a3b00c2-8807-4156-a379-59653af1915d.jpg" / /p p style=" TEXT-ALIGN: center" 　　熊伟 教授 /p p 　　熊伟教授是国家中组部“青年千人计划”获得者，2001年毕业于北京大学生命科学学院，获理学学士学位。2006年毕业于北京大学生命科学学院，获理学博士学位。2006至2013年，在美国国立卫生研究院(NIH)酒精滥用与酒精中毒研究所(NIAAA)做博士后研究工作。2013年3月加入中国科学技术大学生命科学学院。中科院脑科学与智能技术卓越创新中心骨干成员。中科大神经退行性疾病研究中心暨脑资源库核心成员。长期从事与神经化学、药理学、小分子药物研发相关的神经科学研究，运用多种先进的实验技术从分子、细胞水平、到动物行为进行了深入系统的研究，并取得了系列重要成果。研究工作发表在Nature Neuroscience, Nature Chemical Biology, Journal of Experimental Medicine, PNAS, Journal of Neuroscience, Molecular Pharmacology等国际学术期刊上。获得过多项国家级基金资助。 /p

p style=" text-align: center " img title=" 1.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/0bb94937-6370-4e0c-8471-e1a4f208f43b.jpg" / /p p 　　采访嘉宾：熊伟 (中国科学技术大学生命科学学院教授，博士生导师) /p p 　　世界上没有两片完全相同的叶子，细胞也是。然而，科学家们在进行现代生物学研究时，大多时候都考察的是细胞群体，而忽略了细胞异质性。 /p p 　　就拿神经细胞来说，大脑中有亿万个神经细胞，这些神经细胞在细胞形态，突触连结，细胞结构，电生理以及生理功能上具有高度的多样性。不同种类的神经细胞中，其基因组、蛋白组、化学分子组成、含量、代谢也都有着很大的差别。在直径不到1毫米的一个很小的脑区，可能就存在几十种甚至上百种完全不同的神经元以及胶质细胞类型。甚至很多情况下，即使物理距离上相邻的两个神经元也可能是两个不同的神经元类型。因此，对脑内单个神经元的基因组、蛋白质组以及代谢组进行分析，具有重要的生物学价值。 /p p 　　单细胞技术在近年发展非常迅速，比如单细胞测序，已经广泛应用于各种生命学科的研究。2014年1月Nature Methods上发表的年度特别报道，将“单细胞测序”(Singled out for sequencing)的应用列为2013年度最重要的方法学进展。 /p p 　　单细胞技术不仅在测序方面取得了极大进展，单细胞质谱分析也正在逐渐得到更多的关注。与用于分析单个细胞基因组的单细胞测序不同，单细胞质谱主要是研究单个细胞内的代谢物情况，例如化学小分子的组成、含量和代谢等等。单细胞质谱的优势在于可以高通量检测目前其它单细胞技术无法检测的小分子化合物，以及它们的代谢过程。同时，由于质谱本身的优势，不需要采取测序或者特异性抗体等外部手段，就可以精确分析检测到的化学物质信息，可以说是“物美价廉”。 不过，由于质谱技术本身的局限性，目前还无法做到类似单细胞测序那样的大规模测量。 /p p 　　 strong 1. 多学科交叉合作，开发单神经细胞质谱 /strong /p p 　　2013年，熊伟教授结束了在美国国立卫生研究院的博士后研究工作，回国后加入了中国科学技术大学生命科学学院。在申请中组部“青年千人计划”时，熊伟教授认识了另一位中科大化学学院的“青千”黄光明教授，当时，黄光明教授课题组正在发展一种小样品(pL级别)质谱测量技术。经过多次讨论，他们决定将两个实验室的优势技术进行结合，开发单神经细胞质谱这一新技术。 /p p 　　目前质谱技术在神经科学中的应用，主要还是采用对大量组织细胞匀浆后的样品进行分析。在单细胞检测中，质谱分析因为具有高灵敏度，大的线性范围以及高通量分析化学分子的特点，逐渐被用于单细胞的细胞代谢分析。但目前的方法需要使用大量有机试剂对细胞进行处理，无法保持采样时细胞的活性 冗长的处理和分离过程也导致较慢的分析速度，无法短时间内完成大量单细胞分析 并缺乏来自同一细胞的电生理信号 最终导致单细胞代谢物的质谱分析无法大规模用于神经细胞的分析。 /p p 　　 strong 2. 新技术让质谱分析活体单个神经元成为现实 /strong /p p 　　2017年1月26日，熊伟教授与黄光明教授等人在PNAS上发表了一项题为“Single-neuron identification of chemical constituents, physiological changes, and metabolism using mass spectrometry”的研究。在这项新研究中，研究团队依托电生理膜片钳以及电喷雾离子源技术建立了一种稳定的单神经元胞内组分取样和质谱组分分析技术。 /p p style=" text-align: center " img title=" 2.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/705ccfee-dabe-4de5-8fa8-1bde4c73181d.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 膜片钳与单细胞质谱分析联用技术分析单个神经细胞示意图 /strong /p p 　　电生理膜片钳能将玻璃微电极接触并吸附在细胞膜上，高阻抗封接后将膜打穿成孔，记录膜片以外部位的全细胞膜的离子电流。而电喷雾技术主要是利用一个高压交流电使分析物被离子化然后被质谱检测，该离子源具有较强的抗干扰能力。与传统的质谱方法相比，这一新方法最大的优势是可以原位对活细胞进行取样，并且同时采集细胞位置、电生理活动以及细胞内化学成分等多方面的信息。 /p p 　　 strong 3. 质谱分析让神经化学研究进入单细胞水平 /strong /p p 　　研究人员利用这一方法对小鼠海马、前额叶、杏仁核、纹状体等脑区单个神经元内的数千种化学小分子进行了快速质谱检测，并同步采集了电生理信号。 /p p 　　海马、前额叶、杏仁核、纹状体这四个核团无论是在人类还是低等动物中都非常重要，与学习、记忆和情绪等行为以及相关疾病如阿尔茨海默病、帕金森病等有着密切的联系。这些核团内的神经元种类繁多，目前国内外有多个课题组正在从单细胞测序的角度解析这些核团的神经元分类及对其功能进行鉴定。熊伟教授表示，他们对这四个核团神经元进行质谱研究，也正是想从单细胞水平全面分析这些核团神经元的代谢组学情况，以及这些代谢通路和代谢组在学习、记忆和情绪等行为及其相关疾病中的作用机制。 /p p 　　在这项研究中，研究人员主要对不同年龄段的小鼠海马、杏仁核、纹状体等脑区单个神经元中的谷氨酰胺(Gln)、谷氨酸(Glu)以及GABA等化学小分子进行定性、定量分析并对其进行神经元分类。 /p p 　　Glu和GABA是中枢神经系统两大类神经递质(兴奋性或抑制性)的代表性分子。早期人们认为一个神经元内只存在一种递质，其全部末梢只能释放同一种递质，这被称之为戴尔原则(Dale& #39 s principle)。然而随着科学技术的发展，人们逐渐认识到两种或两种以上递质(包括调质)可存在于同一神经元内，在适当的刺激下可经突触前膜共同释放。这种新的观点得到了众多电生理及免疫组化等实验的证明。然而这些证据大部分都是间接的证据，尚无直接证据表明二者的共存。这项研究首次在单细胞水平，通过质谱分析给出了二者共存于同一神经元内的直接证据。同时，研究人员还发现了一些尚未在神经系统中被发现的小分子，他们正在努力研究其作用和分子机制。 /p p 　　此外，研究还鉴定了单个神经元内谷氨酰胺的代谢路径。Gln-Glu-GABA通路是谷氨酸和GABA代谢的经典通路，尤其是谷氨酸，它不仅仅作为兴奋性神经递质存在于神经元内，还大量参与到蛋白质的合成代谢以及细胞能量供应体系中。而GABA是中枢神经系统的抑制性递质，可以防止神经细胞过度兴奋。二者与各种脑疾病都有着密切的关系，如自闭症、阿尔茨海默病、帕金森病等。该通路在大脑的发育和衰老中扮演着非常重要的角色。对单个神经元内谷氨酰胺的代谢路径的鉴定对于深入理解这条代谢通路以及与之相关的疾病机制具有重要意义。 /p p 　　这项研究首次利用化学质谱方法直接无稀释地检测单个神经元中多种神经递质、代谢物、脂质等化学小分子，对单个神经元化学成分及代谢物进行了即时分析，并将目前神经细胞成分分析的研究推向了一个活细胞及单细胞水平。这一技术在将来或许能够帮助科学家们在单细胞层次上去研究神经生物学、代谢组学、毒理学等生命科学的重大问题。 /p p 　　谈到临床应用前景时，熊伟教授的态度也十分肯定。他表示，该技术允许研究人员对血液、脑脊液等样品中的单个细胞进行质谱检测，结合相应的生物标记物，完全有可能对阿尔茨海默病、帕金森病、抑郁症等神经精神疾病的早期诊断提供帮助。 /p p 　　 strong 4. 后记 /strong /p p 　　熊伟教授从事神经科学研究，他认为现代神经科学研究需要技术的快速研发以及多领域多学科的交叉合作，必须发展包括显微成像、分子示踪、质谱分析、光遗传学以及转基因操作等最新的生物、物理、化学与工程材料等多学科交叉技术。熊伟教授表示，对他而言，科研不仅仅是工作，也是兴趣，尤其是对新技术的热切追求，驱动着他不断前行。熊伟教授及其研究团队也正在和中国科大的其它实验室展开合作，和不同的领域的科学家交流和分享科研心得是一种享受。 /p p 　　 strong 关于研究人员 /strong /p p 　　该项工作由中科大生命学院博士后朱洪影、生命学院博士研究生邹桂昌、王宁在熊伟教授和黄光明教授的共同指导下完成。该研究工作得到了国家自然科学基金委重大研究计划、科技部、中科院战略性先导科技专项(B类)以及国家青年千人计划等的资助。该工作还得到中国科学技术大学同步辐射实验室光电离质谱线站的仪器与技术支持。 /p p 　　 strong 关于熊伟教授 /strong /p p style=" text-align: center " img title=" 3.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/feba38ed-9bd1-4fc4-9016-bb72aef280df.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 熊伟 教授 /strong /p p 　　国家中组部“青年千人计划”获得者，2001年毕业于北京大学生命科学学院，获理学学士学位。2006年毕业于北京大学生命科学学院，获理学博士学位。2006至2013年，在美国国立卫生研究院(NIH)酒精滥用与酒精中毒研究所(NIAAA)做博士后研究工作。2013年3月加入中国科学技术大学生命科学学院。中科院脑科学与智能技术卓越创新中心骨干成员。中科大神经退行性疾病研究中心暨脑资源库核心成员。长期从事与神经化学、药理学、小分子药物研发相关的神经科学研究，运用多种先进的实验技术从分子、细胞水平、到动物行为进行了深入系统的研究，并取得了系列重要成果。研究工作发表在Nature Neuroscience, Nature Chemical Biology, Journal of Experimental Medicine, PNAS, Journal of Neuroscience, Molecular Pharmacology等国际学术期刊上。获得过多项国家级基金资助。 /p p 　　 strong 参考文献： /strong /p p 　　Single-neuron identification of chemical constituents, physiological changes, and metabolism using mass spectrometry /p p & nbsp /p

2013 年，佛罗里达大学的研究团队曾经在《科学》（Science）杂志上发表文章，通过一种栉水母（Mnemiopsis leidyi）的基因组撼动了进化树的根基，那篇文章一经发表就引起了热议。现在，他们又在《自然》（Nature）杂志上发布了另一种栉水母的基因组草图，再次验证了自己的观点。论文资深作者、佛罗里达大学的神经科学家 Leonid Moroz 表示：“栉水母（ctenophore）就像是来到地球的外星人。”它们通过特殊的纤毛在海洋中游动，看起来就像是迪厅的球形灯。它们通过粘乎乎的触手捕获食物。Moroz 和他的团队对太平洋侧腕水母（Pleurobrachia bachei）进行了基因组测序，他们发现栉水母拥有独一无二的神经系统。其他动物共用许多与免疫、发育和神经功能有关的基因家族，但栉水母完全不具备这些基因。这不仅令栉水母更加神秘，也再次证实栉水母是独立演化出自己的神经系统。栉水母一直令分类学家们头疼不已。它们和水母看起来很相似，曾经被视为刺胞动物（包括水母）的姐妹群（Sister group）。也有人将栉水母放在缺乏神经系统的扁盘动物和海绵之后，因为栉水母具有能够检测光、感知猎物和移动肌肉组织的神经系统。Moroz 认为，栉水母与所有动物的共同祖先是近亲。他在 2013 年的《Science》论文中提出，神经系统出现了两次各自独立的演化，栉水母的神经系统演化与其他动物完全不同。现在，P. bachei 基因组分析为这一观点提供了有力的支持。研究显示，P. bachei 基因组不仅缺乏其他动物的共有基因，而且不具备调控基因表达的 microRNA。此外，栉水母的神经系统还缺乏普通神经系统中的标准组分。 其他动物的神经系统都使用同样的十种主要神经递质，而太平洋侧腕水母则只用了其中的一两个。 Moroz 推测，这种生物可能使用了其他未知分子来完善神经系统，例如特殊的蛋白激素等。栉水母的上述独特性质，让研究团队确信它的神经系统演化独立于其他动物，大约在五亿年前从进化树上分支开。Moroz 表示：“人们总认为复杂的神经系统不可能进化两次，但这一事件的确发生了。”神经系统在不同动物分支中演化两次的观点，一直令慕尼黑大学的进化生物学家 Gert W?rheide 着迷。不过他并不认同 Moroz 等人给栉水母安排的进化位置，他认为所有动物的共同祖先可能与栉水母没什么关系。P. bachei 的神经系统也可能是后来发生的某种适应性改变，他说。“我认为现在断言栉水母在进化树中的地位还为时过早。”

p 　　2月12日电突触是大脑行为、意识、学习与记忆等功能的基本结构与功能单元，也是多种脑疾病发生的起源。近期，中国科学技术大学教授毕国强、刘北明与美国加州大学洛杉矶分校教授周正洪组成课题组，利用冷冻电镜技术对完整突触进行了系统性定量分析。美国神经科学学会会刊《神经科学》日前以封面形式对此进行了报道。 /p p 　　精确解析突触的分子架构及活动过程，被认为是解密大脑奥妙的最有效方式。早期的研究者发现了突触中的分子和细胞器组份，揭示了突触的各种功能特性和规则。但由于手段局限，对其机理还远没有充分观察和解析。 /p p 　　近期，课题组利用冷冻电镜技术，结合自主研发的冷冻光电关联显微成像技术，实现了对中枢神经系统中两类最主要突触——兴奋、抑制性突触的精确区分，以及结构特征的定量化分析。他们将大鼠的海马神经元培养在冷冻电镜的特型载网上，快速冷冻并直接成像，获得了一系列完整突触在近生理状态下的三维结构。结合定量分析手段，了解了抑制性突触的均匀薄片状突触后致密区结构，获得了突触在分子水平的精细组织架构，实现了在突触原位直接观察单个神经递质受体蛋白复合物及其与支架蛋白的相互作用。 /p p 　　据介绍，这是当前国际上首次利用冷冻电镜技术对完整突触进行系统性定量分析，推动了对突触超微结构与功能这一“黑匣子”的解密。另一方面，为突破冷冻电镜技术在复杂细胞体系中原位解析生物大分子复合物组织结构这一技术难题，奠定了基础。 /p

&bull 采访布鲁克BioSpin的生物安全负责人MRI技术在临床前神经科学研究中的重要性神经科学研究如何帮助我们进一步了解脑机能我们可以使用核磁共振成像（MRI）提供大脑的二维或三维图像，用于研究其解剖构造、功能或分子机制……或这三者的结合。MRI的好处在于，研究人员可以选择把重点放在解剖兼功能层面或是分子层面。体内神经影像学能给我们提供关于大脑功能和代谢的哪些信息？使用一种称为扩散MRI的技术，我们能够以非侵入性和非破坏性的方式，追踪整个大脑的轴突方向，并创建大脑的连接图。在功能性方面，我们有多种选择。功能MRI（fMRI）使我们能够在大脑思考时观察它。这项技术属于临床标准，在过去十多年里，我们已经能够将其应用于包括大鼠和小鼠在内的动物。fMRI不需要造影剂。我们只需监测由于氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白转换而产生的细微信号变化，即可清楚地检测大脑活动。此外，我们还能监测脑血流的变化，这是一个重要的标志。在中风研究中，我们可以看到受影响的大脑区域，其精确度可能比大多数其他非破坏性方法更高。活体波谱可以研究体内的代谢物。借此，我们可以获得大脑区域的化学“指纹”。这些区域的大小通常为几毫米立方，定域活体波谱使我们能够识别和量化其中的数十种代谢物，包括与大脑能量通路有关的主要神经递质和分子。并非所有生物学家都了解MRI技术，为什么？MRI通常不属于生物学课程范畴。医学博士会接受关于MRI的基本培训，如果最终成为放射科医生，还会接受进一步的相关训练。但对于生物学家而言，他们与MRI的接触始于将其用于解决生物学问题。我以前兼修生物学和化学课程，而关于NMR和MRI的所有基础知识，我是在化学课程中学到的。如果我只学习生物学，我将对MRI的巨大潜力一无所知。每个生物学家都会学习如何使用光学显微镜，但除非所在大学配备有临床前MRI扫描仪，他们很难对MRI技术有所了解。布鲁克的MRI应用专家已经将他们的知识融入到预先优化的协议中，即使用户对MRI不甚了解，也能快速解答生物学相关问题。请概述MRI和PET/MRI在基础神经科学研究中的应用和重要性。PET缺乏解剖学信息。一般来说，使用PET，您可以追踪示踪剂在体内的任何位置，而您最终看到的只是功能化示踪剂所在的区域。如果您单独使用PET，则无法确定这些活动区域在体内的位置，因为没有解剖学相关参照。而使用PET/MRI组合，通过在灰度高分辨率MRI图像上的彩色PET图像，您可以高精度地看到示踪剂的确切位置。PET和MRI结合的重要性和美妙之处在于，您可以同时执行这两种操作，并从MRI中获得出色的软组织对比。与其他方法相比，这些成像技术有什么优势？除了非破坏性之外，还有一个事实是，我们可以使用更少的动物获得更多的信息。您可以实现更大的统计相关性，因为您可以使用扫描仪在数周或数月内反复研究同一只动物。在每个研究时点后，动物不会被处置。相反，我们扫描整个队列，从所有动物那里获取全部信息。每只动物都作为自己的对照。这减少了许多临床前研究固有的生物散射问题。我认为这是一个经常被忽视的巨大优势。临床前研究的发现能完全转化为临床应用吗？临床前脑成像能做到临床上不可能做到的事情吗？是的，可以转化。对动物使用PET和MRI成像与在医院对患者使用临床仪器进行的操作相同。当然，临床前成像也有好处，比如在进入临床前测试新的疾病治疗方法。您还可以使用基因剔除模型来研究疾病进展的机制。请介绍用于临床前神经科学研究的布鲁克仪器吧：早在40多年前，我们就推出了一系列临床前MRI扫描仪，在市场上处于领先地位。布鲁克的临床前MRI扫描仪品牌称为BioSpecs，有各种不同的版本。您可以从一系列磁场中进行选择。磁场越强，通常成像效果越好。您还需要确定孔径，也就是磁体内部的小通道， 动物在检查时就躺在里面。小孔径扫描仪只能容纳一只小鼠，而其他较大孔径扫描仪可以容纳大鼠甚至更大的动物。我们的PET扫描仪也设有供大鼠和小鼠使用的小通道。我们还提供PET和MRI的组合。在其中一款PET/MR设计中，PET通道设在MRI通道的前面，所以这两台机器是相邻的。动物安置在一种类似单轨的轨道上，首先进入PET通道进行快速扫描。然后将其向前移动约20英寸，在 MRI扫描仪中定位，执行MRI扫描。在另一款PET/MR设计中，小型PET环直接安装在MRI通道中，使动物能够直接进入MRI扫描仪的中心，这也是PET扫描仪的中心，可以实现同时扫描。这种仪器已用于研究哪些临床前疾病模型？是否能够帮助确定任何潜在的治疗方法？嗯，应用非常广泛，从阿尔茨海默氏症和帕金森氏症模型到记忆、衰老和认知衰退模型等等。这种仪器也用于中风研究。通过在啮齿类动物中人为地诱发中风，我们可以对受影响的大脑区域进行量化，这可能比任何其他不涉及解剖大脑的方法都更有效。许多制药公司在药物研发中使用布鲁克扫描仪。

针灸治疗疾病的核心机理之一是通过刺激身体特定的部位（穴位）来远程调节机体功能，而经络被认为是达到这种远程效应的重要传输载体。尽管现代解剖学研究尚未明确经络特异性结构基础的存在，但揭示了针刺刺激的远程效应可以通过躯体感觉神经-自主神经反射来实现。这种反射首先是激活来自位于背根神经节 (DRG) 或三叉神经节中的外周感觉神经纤维，随后将感觉信息传到脊髓和大脑，进而激活外周自主神经，最终实现对各种机能的调节。从上世纪70年代开始，就陆续发现此类反射存在躯体区域特异性。2020年哈佛大学医学院马秋富教授团队发表在Neuron的研究结果，揭示了低强度针刺刺激小鼠后肢穴位（如足三里ST36）可以激活迷走神经-肾上腺抗炎通路，而针刺刺激腹部穴位 (如天枢ST25) 却不能诱导出此抗炎通路（详见BioArt报道：Neuron | 马秋富团队报道针刺激活不同自主神经通路调节全身性炎症）。这种躯体区域特异性（或者说穴位部位的相对专一特异性）背后的神经解剖学基础至今尚不清楚。2021年10月13日，马秋富教授团队与复旦大学王彦青教授，中国中医科学院针灸研究所景向红教授团队合作（第一作者为柳申滨博士和王志福博士）在Nature又发表文章A neuroanatomical basis for electroacupuncture to drive the vagal-adrenal axis，实现了针灸研究的历史性突破，揭示了一类PROKR2-Cre标记的DRG感觉神经元，是低强度针刺刺激激活迷走神经-肾上腺抗炎通路所必不可少的。尤为值得关注的是，根据此类神经的躯体分布特点，可以预测在不同部位低强度电针刺激抗炎的效果，从而为穴位相对特异性的存在提供了现代神经解剖学基础。首先，PROKR2-Cre标记的有髓鞘的神经元主要富集表达于支配四肢节段的DRG中，并且此类神经元特异性支配四肢的深层筋膜组织（如骨膜、关节韧带和肌筋膜等），而不支配皮肤的表皮组织和腹部的主要筋膜组织（如腹膜）。其次，为了研究PROKR2-Cre标记的神经元在针刺诱导迷走神经-肾上腺抗炎通路中的作用，研究团队运用交叉遗传等方法特异性地敲除此类DRG感觉神经元。当敲除这类神经元后，低强度针刺刺激后肢穴位ST36不能激活迷走神经-肾上腺通路，也无法抑制LPS（细菌脂多糖）所诱发的炎症风暴；而敲除此类神经元并未影响高强度刺激后肢穴位ST36和腹部穴位ST25所诱导的交感神经抗炎通路。研究团队进一步运用交叉遗传的方法特异性诱导光敏蛋白CatCh表达于PROKR2-Cre标记的神经元，并用473nm蓝光特异性地激活支配后肢穴位ST36的此类感觉神经纤维。研究发现，激活此类神经纤维能显著诱发迷走传出神经的放电，并且能以迷走神经依赖的方式诱导肾上腺释放儿茶酚胺类神经递质，抑制LPS诱导的促炎细胞因子释放，进而显著提高动物的存活率。这一部分研究结果，几乎模拟了低强度电针刺激后肢穴位ST36的抗炎效果。最后，研究人员根据PROKR2-Cre标记的 感觉神经纤维的组织支配模式准确验证了对低强度电针刺激诱导的抗炎效应结构基础。而与下肢胫骨附近筋膜组织中的密集投射相反，下肢后部的肌肉组织中，包括小腿的腓肠肌和大腿区域的半腱肌，PROKR2-Cre感觉神经纤维支配很少。低强度针刺刺激这些部位未能显著抑制 LPS诱导的炎症反应。奇妙的是，PROKR2-Cre神经纤维很少投射的腓肠肌和半腱肌等部位，正好很少分布传统穴位。进一步研究发现， PROKR2-Cre标记的感觉神经元也密集支配到前肢的深层筋膜组织（如桡骨骨膜），此处为手三里穴区（LI10），进一步通过针尖靠近含有这类神经纤维的桡神经深支，对其进行了双侧低强度刺激，发现针刺刺激此穴位也可通过此类神经元和迷走神经依赖方式，显著抑制LPS诱导的炎症反应。以上研究表明，对于针刺刺激诱导迷走神经-肾上腺抗炎通路，存在躯体部位的选择性（如有效的 ST36 、LI10 和无效的 ST25穴位）、穴位特异性（如ST36 与无效的后肢肌肉中的传统非穴位）。这种穴位的相对特异性与PROKR2神经纤维的部位特异性分布有关。此外，针刺强度、深度、检测结果指标都是影响穴位特异性发挥作用的重要要素。这些发现充实了针灸等体表刺激疗法的现代科学内涵，为临床优化针刺刺激参数，诱发不同自主神经反射，从而治疗特定的疾病（如炎症风暴等）提供了重要的科学依据。据悉，该研究获得了复旦大学王彦青教授、中国中医科学院针灸研究所景向红研究员的支持帮助，福建中医药大学王志福副教授、中国中医科学院针灸研究所宿杨帅博士， 还有杨维、祁鲁、傅鸣洲参与了本研究的工作。

p 　　近日，国际综合研究权威期刊《美国国家科学院院报》(PNAS)发表了题为《Single-Neuron Identification Of Chemical Constituents， Physiological Changes， And Metabolism Using Mass Spectrometry》的研究论文。该研究由中国科学技术大学生命学院神经退行性疾病研究中心暨中国科学技术大学脑资源库熊伟教授研究组与中科大化学学院黄光明教授研究组合作完成。该研究依托电生理膜片钳以及电喷雾离子源技术建立的稳定的单神经元胞内组分取样和质谱组分分析技术，对小鼠海马、前额叶、杏仁核、纹状体等脑区单个神经元内的数千种化学小分子进行了快速质谱检测，并且可以做到同步采集电生理信号，在单细胞层次上成功地完成了对神经元功能、代谢物组成及其代谢通路的研究。这项研究首次利用化学质谱方法直接无稀释的检测单个神经元中多种神经递质、代谢物、脂质等化学小分子，实现了单个神经元化学成分及代谢物的即时分析，该技术将目前神经细胞成分分析的研究推向了一个活细胞及单细胞水平，有望在单细胞层次上去研究神经生物学、代谢组学、毒理学等生命科学的重大问题，具有非常重要的应用前景。 /p p 　　大脑中有亿万个神经细胞，这些神经细胞在细胞形态，突触连结，细胞结构，电生理以及生理功能上具有高度的多样性。不同种类的神经细胞中，其化学分子组成、含量、代谢也都有着很大的差别。因此，对脑内单个神经元的化学成分进行分析，则具有重要的生物学价值。质谱分析因为具有高灵敏度，大的线性范围以及高通量分析化学分子的特点，逐渐被用于单细胞的细胞代谢分析。但目前的方法需要使用大量有机试剂对细胞进行处理，无法保持采样时细胞的活性 冗长的处理和分离过程也导致较慢的分析速度，无法短时间内完成大量单细胞分析 并缺乏来自同一细胞的电生理信号 最终导致单细胞代谢物的质谱分析无法大规模用于神经细胞的分析。 /p p 　　此研究成功建立了一套稳定的单细胞质谱分析技术，并对不同年龄段的小鼠海马、杏仁核、纹状体等脑区单个神经元中的谷氨酰胺、谷氨酸以及GABA等化学小分子进行定性、定量分析并对其进行神经元分类，最后利用该技术成功鉴定单个神经元内谷氨酰胺的代谢路径。这项方法的成熟与普及，必会为后续单个神经元组分分析、神经元分类以及病理状态下单个神经元中组分变化分析提供强有力的手段。 /p p 　　该项工作由中科大生命学院博士后朱洪影、生命学院博士研究生邹桂昌、王宁在熊伟教授和黄光明教授的共同指导下完成。该研究工作得到了国家自然科学基金委重大研究计划、科技部、中科院战略性先导科技专项(B类)以及国家青年千人计划等的资助。该工作还得到中国科学技术大学同步辐射实验室光电离质谱线站的仪器与技术支持。 /p

p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201802/insimg/e2f81b1e-e30b-4ff6-8cc6-54a29e2ec276.jpg" title=" 20180211094445855.jpg" / /p p 　　记者10日从中国科学技术大学获悉，该校科研人员在利用冷冻电镜解析神经突触超微结构方面取得突破，解密了神经突触“黑匣子”。 /p p 　　国际学术期刊美国神经科学学会会刊《神经科学期刊》(《Journal of Neuroscience》)近日以封面形式报道了该项研究成果。 /p p 　　突触是大脑行为、意识、学习与记忆等功能的最基本结构与功能单元，同时也是多种脑疾病发生的起源。精确解析突触的分子组织架构及其在神经活动过程中的变化，被认为是解密大脑奥妙的最直接有效的方法，也是神经科学中最基础的研究工作之一。 /p p 　　早期，生化与分子生物学、电生理学等研究发现了突触中的各种大量分子和细胞器组份，并揭示了突触的各种功能特性和可塑性规则。然而，由于研究手段的局限，突触中的这些不同组件是如何组织成复杂的机器来执行不同的功能，还远远没有充分观察和解析。 /p p 　　中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心与生命科学学院毕国强、刘北明与周正洪教授合作，利用最新发展的冷冻电子断层三维重构技术(cryoET)，结合自主研发的冷冻光电关联显微成像技术，实现了对中枢神经系统中两类最主要突触的定量化分析。通过将大鼠的海马神经元培养在冷冻电镜的特型载网上，课题组获得了一系列完整突触在近生理状态下的三维结构。 /p p 　　结合定量分析手段，首次报道了抑制性突触的均匀薄片状突触后致密区结构，并发现两类突触中均存在椭球状突触囊泡，结束了关于两类突触在突触囊泡和突触后致密区形态精细结构上的由来已久的争论。 /p p 　　随后，课题组进一步获得了突触在分子水平的精细组织架构，实现了在突触原位直接观察单个神经递质受体蛋白复合物及其与支架蛋白的相互作用。 /p p 　　这是当前国际上首次利用冷冻电镜技术对完整突触进行系统性定量分析。该工作一方面推动了对突触超微结构与功能这一“黑匣子”的解密，另一方面为突破冷冻电镜技术在复杂细胞体系中原位解析生物大分子复合物的组织结构这一技术难题奠定了基础。 /p

2021年4月，中国医学科学院药物研究所天然药物活性物质与功能国家重点实验室再帕尔阿不力孜、贺玖明团队在分析化学一区《Analytical Chemistry》期刊发表封面文章，题为“Mapping metabolic networks in the brain by using ambient mass spectrometry imaging and metabolomics”的研究成果，采用自主研发的质谱成像空间代谢组学技术，全面绘制了大鼠脑代谢网络，深入解析了东莨菪碱致大鼠记忆功能障碍模型脑的代谢变化。　　封面文章　　研究背景　　大脑是结构最复杂的器官之一，主要功能与其微区的分子相互作用密切相关。大脑的小分子调节机制对理解中枢神经功能、精神疾病机理和药物研发有很大的帮助。动物的认知过程和行为控制均依赖于脑部强大的中枢神经网络——神经连接体。科学家进行了很多研究，但是对脑部小分子网络的研究仍有不足。　　分子成像技术是研究大脑中DNA、RNA、蛋白质和代谢产物的强大工具。质谱成像技术(MSI)是一种检测大脑中蛋白质、代谢物和脂质物质的高灵敏度和高通量分子成像技术，在肿瘤边缘诊断、肿瘤生物标志物发现、药物分布和机理阐述等领域有广泛的应用。　　本文作者开发了一种基于敞开式空气动力辅助解吸电喷雾离子化质谱成像(AFADESI-MSI)技术的代谢网络映射方法，对大鼠脑不同极性的小分子代谢物(m/z 50-500 Da)进行微区分布研究，不仅鉴定出脑部几乎所有重要的代谢物，还绘制了包含神经递质、嘌呤，有机酸，多胺，胆碱、碳水化合物和脂类等20条通路的代谢网络，并使用这种代谢网络映射质谱成像方法解析了东莨菪碱致大鼠记忆功能障碍模型脑的代谢变化，为中枢神经系统疾病的治疗提供新的信息和见解。研究思路　　研究方法　　1.样本准备　　Sprague-Dawley大鼠模型腹腔注射东莨菪碱后被杀死(处理组，3只)，对照组大鼠(3只)也用同样方法杀死。获取大鼠整个大脑，在低温下将大脑切成连续的矢状切片(暴露出海马和纹状体)，用于Nissl 染色、H&E染色和质谱成像检测。　　2.空间代谢组实验　　使用AFADESI-MSI分析，代谢物质量数范围50-500 Da，质谱分辨率70,000。　　3.数据处理和代谢网络分析　　原始数据经过转化，再使用自建MassImager软件获取成像结果 在获取差异代谢物的高分辨率质谱信息后，使用Metaboanalys在线数据挖掘软件以褐家鼠(rattus norvegicus)为参考完成代谢物高通量定性，并输出代谢网络信息。大脑中复杂网络可视化使用Cyctoscope软件完成。　　4.统计分析　　两组大脑样本选择相同的微区，并将组织学和特征离子图像叠加进行确认。数据处理结果使用t检验(n = 3)进一步验证。大脑微区包括松果体、中脑导水管、脑桥、梨状皮质、延髓、丘脑、纹状体、海马、胼胝体、嗅球、大脑皮层、小脑皮层、穹窿、小脑延髓和丘脑。　　研究结果　　1.AFADESI-MSI用于大脑中极性代谢物的定位　　如图1所示，将大鼠大脑连续矢状切面通过ESI探针对逐个像素进行扫描，并将解吸的代谢物离子传输到高分辨率质量分析仪进行分析。图1E是大鼠脑部某个像素点的一个代表性质谱图，在该图中可以观察到数千个代谢物的峰。AFADESI-MSI图像还表明脑部不同功能性区域中代谢物浓度的变化。图1A-D显示了代表性代谢产物图像，在松果体、纹状体、海马、胼胝体和嗅球等亚区域具有特定分布。这些异质代谢分布与大鼠脑的功能和结构复杂性高度一致。　　实验结果表明，AFADESI-MSI的空间分辨率小于100μm，代谢物质量最大差异为0.001Da，同一物质的检测动态范围高达1000倍。如图1所示，通过AFADESI-MSI可在大鼠脑部检测到一些呈特征性分布有代表性的极性代谢物，其强度范围从0到104甚至到106。　　图1 (A-E)使用AFADESI-MSI获得的用于构建大鼠大脑代谢网络图的代表性极性内源性代谢物 　　(F)AFADESI-MSI数据采集过程 　　2.在大鼠脑绘制特定区域分布的极性代谢物图谱　　使用AFADESI-MSI在正离子和负离子模式下分别获得298个和372个微区轮廓清晰的代谢物离子图像。使用精确分子量并结合同位素丰度，通过人类代谢组数据库(HMDB)对离子图像进行识别，鉴定出多种内源极性代谢物，包括氨基酸、核苷酸或核苷、碳水化合物、脂肪酸和神经递质等。　　中枢神经系统(CNS)的特定功能和特定解剖区域相关。例如，乙酰胆碱在大脑皮层中高度表达 γ-氨基丁酸是一种抑制性神经递质，其在大脑皮层的信号强度较低，在中脑、嗅球和下丘脑中的浓度较高 多巴胺在纹状体含量较高 组胺(一种兴奋性神经递质)主要分布于丘脑和下丘脑。松果体在睡眠和光周期调节中起着重要的作用，并且由于其体积小容易被忽视。在松果体区域中，作者检测到106种极性代谢物，例如吲哚乙醛、吲哚、5' -甲硫基腺苷和褪黑激素，它们在该微结构的表达最高。褪黑激素由松果体分泌，起到调节昼夜节律的作用。质谱成像结果表明褪黑激素只能在松果体检测到。褪黑激素的上游代谢物血清素(5-HT)在松果体中也有特定的分布。此外一些未知的代谢物也仅在大鼠大脑的某个很小但特定的区域中。以上结果表明，AFADESI-MSI方法可以直接检测极性代谢产物，并具有高特异性，能呈现其在大脑微区分布的图像。　　3.在大鼠脑中绘制微区代谢网络图　　要了解大脑的结构区域发生的复杂代谢过程，不仅应准确表征代谢物，还要研究其相关性。从大鼠脑微区中提取代谢谱进行代谢网络重建。从15个微区提取的MSI数据进行峰挑选和峰对齐(图1F)，包括松果体、中脑导水管、脑桥、梨状皮质、延髓、丘脑、纹状体、海马、胼胝体、嗅球、大脑皮层、小脑皮层、穹窿、小脑延髓和丘脑，然后使用基于KEGG数据库的Metaboanalyst软件进行代谢网络分析。共找到20条KEGG代谢通路，包含126个具有微区信息的代谢物，图2显示了涉及丙氨酸-天冬氨酸和谷氨酸代谢、花生四烯酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢、肌酸途径、GABA能突触、葡萄糖代谢、谷胱甘肽代谢、甘油磷脂代谢、甘氨酸-丝氨酸和苏氨酸的代谢、组氨酸代谢、赖氨酸代谢、苯丙氨酸代谢、多胺代谢途径、嘌呤代谢、嘧啶代谢和TCA循环、色氨酸代谢、酪氨酸代谢、缬氨酸-亮氨酸和异亮氨酸代谢和类固醇激素合成途径。质谱成像方法提供了一种直接获取代谢网络信息的途径，以系统地深入了解大脑的代谢活动。　　图2 通过AFADESI-MSI和Metaboanalyst获得的大鼠脑中的代谢网络　　图3A展示了嘌呤代谢的分布和代谢途径，共包含17个核苷酸及相关代谢产物，饼图代表了某种代谢物在不同大脑微区的相对含量和分布，图3A中显示出不同代谢物的不同局部特征。例如腺嘌呤核糖核苷酸(AMP)和鸟苷酸(GMP)在大脑皮层和松果体中高表达，但在胼胝体和穹窿中含量较低。图3B显示了大脑不同区域的AMP分布，AMP在大脑皮层和松果体中含量很高，而在胼胝体和穹窿中含量较低。这些结果表明，大脑中代谢物分布呈现出功能性区域的差异性。这些空间和代谢途径的上游-下游转换过程为大脑局部代谢活动提供丰富信息。也证明质谱成像方法能够提供直接获取代谢网络信息的方法。　　图3 (A)通过AFADESI-MSI获得的大鼠脑中嘌呤代谢途径和相关代谢产物分布 　　(B)腺嘌呤核糖核苷酸(AMP)在大鼠脑不同区域的分布 　　4.神经递质的代谢网络解析　　神经递质在大脑不同区域具有极为复杂的代谢调节网络，使这些区域的中枢神经能够从事复杂的活动。作者分析了关键神经递质的代谢调控网络，分别为多巴胺、γ-氨基丁酸、腺苷、组胺、乙酰胆碱、5-羟色胺、谷氨酸和谷氨酰胺。图4A显示了神经递质以及相关代谢产物在大鼠脑的分布特征，它们联系非常紧密(图4B)，这些神经元彼此相互作用并形成复杂的调节网络。　　图4 |(A)大鼠脑中神经递质及其相关代谢产物的分布 　　(B)神经递质调节和代谢网络 　　5.从大鼠脑的代谢网络映射中发掘空间变化　　东莨菪碱治疗的大鼠是一种学习和记忆障碍模型，通常用于研究抗遗忘药疗效。本文作者使用AFADESI-MSI分析了对照组和东莨菪碱治疗的大鼠矢状脑切片，将发现的代谢物全面映射代谢网络，并通过代谢组学分析发现空间代谢变化。不仅可以对药物准确定量，还可以检测代谢网络相关的数百种内源性代谢物在大脑特定区域的分布。图5显示了代谢网络中检测到的各种代谢物，以及在不同大脑微区代谢物的明显改变。如图5A所示，找到三种代谢物(N-甲酰基尿氨酸、L-色氨酸和5-羟色氨酸)，属于色氨酸代谢途径，意味着东莨菪碱会干扰色氨酸的代谢过程。作者分析了东莨菪碱治疗组大鼠脑的十个微区，发现脑桥中有16种表达异常的代谢产物，而在大脑皮层中发现了7种。表明在东莨菪碱治疗下，脑桥和大脑皮层可能是受影响最严重的区域。　　图5 东莨菪碱模型大脑中极性代谢网络的变化　　图6显示了其中几种异常表达的代谢产物的分布，例如腺嘌呤在小脑皮层被下调 组胺在中脑导水管中下调 桥脑中的磷酸乙醇胺、大脑皮层中的2-氧戊二酸、纹状体中的多巴胺、胼胝体中的抗坏血酸、下丘脑中的谷胱甘肽、小脑皮层中的L-天冬氨酸和L-天冬氨酸也有所变化，这些代谢物的质谱成像结果(图6A-H)和相对定量结果(图6I1-18)进一步表明，大脑中药物作用后代谢物的多样性和区域特异性。这些代谢物不分区分析、含量进行全脑平均后，代谢物的微区含量差异很容易被削减。在空间上的代谢变化表明，在东莨菪碱治疗后，大鼠脑微区的代谢网络发生紊乱。但是代谢物和代谢酶是代谢网络的关键因素，基于空间分辨的代谢组学信息为发现酶或基因异常提供了线索，但若要完成完整的代谢网络分析必须进一步验证蛋白质和基因表达水平。　　图6 在东莨菪碱治疗后大鼠模型的脑部质谱成像结果和代谢产物的统计结果　　研究结论　　本文作者开发了一种空间分辨代谢网络作图方法，通过无需衍生化、特定标记或复杂样品预处理的高通量AFADESI-MSI方法和代谢组学策略，在具有复杂结构化脑组织中发现代谢分子变化。能检测出多种极性内源性代谢物，并绘制相关代谢网络，提供组织微区分布的图谱。还将多种功能性小分子(例如核苷酸、多胺、肌酸、神经酰胺代谢物)含量分布可视化。这些代谢物构成大鼠脑关键代谢网络，为理解大鼠脑的作用机制和功能探索提供新的见解。在本文中，该方法被用于东莨菪碱处理的大鼠模型脑部的代谢研究。结合微区统计数据，该方法可以绘制代谢网络图、发现某些途径代谢产物的明显失调，而且还能描绘与神经疾病直接相关微区中发生的代谢变化。

p strong 仪器信息网、中国电子显微镜学会、中国电镜网联合报导 /strong strong ： /strong 2015年10月18日第四届全国激光共聚焦显微技术理论与应用学术交流研讨会圆满闭幕。 /p p 　　在14日下午的会议中，有一个特邀报告格外地引起了笔者的注意，来自西北农林科技大学动物医学院的赵善廷教授提到他曾与高压冷冻固定技术的发明者瑞士科学家Studer博士合作，将该技术与器官型脑片培养技术(organotypic slice culture)相结合，成功地研究了与学习和记忆密切有关的长时程效应(long-term potentiation, LTP)对突触的影响。 /p p style=" TEXT-ALIGN: center" dir=" ltr" img style=" WIDTH: 450px HEIGHT: 300px" title=" 00.jpg" border=" 0" hspace=" 0" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201510/insimg/2f90df00-d7ca-416b-bd07-44431d4c22cd.jpg" width=" 450" height=" 300" / /p p style=" TEXT-ALIGN: center" strong 西北农林科技大学动物医学院的赵善廷教授 /strong /p p 　　据了解，以往的常规 a href=" http://www.instrument.com.cn/zc/1139.html" target=" _self" title=" " style=" color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline " span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 电镜 /span /a 技术需要先用甲醛、戊二醛等化学试剂对样品进行化学固定，但这种固定方法有三个缺点包括： /p p 　　一、无法扑捉短暂生理过程的形态变化和特征，如神经元突触小泡内神经递质的释放；二、脱水过程用酒精等有机溶剂会造成细胞和组织皱缩，使其形态和大小发生改变；三、化学固定剂特别是戊二醛可引起蛋白质变性，使其与相应抗体结合能力下降甚至丧失，导致电镜免疫组化染色失败。 /p p 　　为克服化学固定的这些缺点，上世纪九十年代末，瑞士科学家Studer博士发明了一种新的物理性电镜固定技术，即高压冷冻电镜固定技术，该技术可以在不使用任何化学固定剂的条件下五十毫秒以内将组织和细胞完全固定。 /p p 　　虽然高压冷冻技术克服了化学固定的三大缺点，但它本身也有一个不足之处：固定的样品非常小，直径不能超过1mm，厚度不能超过& amp #956 m，从而限制了它在神经生物学研究中的应用。 /p p 　　为了克服高压冷冻固定技术的缺点，将其应用到神经生物学研究中，2002年，该技术发明者Studer博士与当时正在德国弗莱堡大学医学院做博士后的赵善廷博士合作，将器官型脑片培养技术和高压冷冻固定技术相结合固定神经纤维，历时五年的不断摸索，到2007年两种技术终于完美地结合在一起。赵教授在接受本网记者采访时表示，希望能够与国内相关课题组合作，为这种样品制备方法寻找更多的应用领域。 /p p style=" TEXT-ALIGN: right" 撰稿：史秀明 /p

荧光显微成像技术对人们理解神经科学起了非常关键的作用。而最近一些年出现的各种超分辨显微成像技术和专门的荧光探针能够以超过以往普通光学显微镜的分辨率直接观察神经元亚细胞结构和蛋白质排列。并以直观可视方式揭示了神经细胞骨架组成、分布、运动和膜蛋白信号传导、突触下结构和功能，以及神经元−胶质细胞相互作用。同时超高分辨显微成像技术（Super Resolution,SR,下文中出现SR均指超高分辨率显微成像技术）对于许多自身免疫和神经退行性疾病模型中的分子靶点研究也提供了全新的强大工具。今年春，Werner等科学家在美国化学学会会刊（ACS)上最新发表了一篇综述，比较详实系统介绍了超高分辨率显微技术在神经科学上的最新应用进展。我们在此文基础上进行了编译整理。因文章较长，分四期介绍。本期为第三部分内容。5.3. 突触后室突触受体位于突触后室，负责传递来自突触前末端的信号。它包含支架蛋白--负责锚定突触后受体的专门用于信号整合的信号分子。在神经元树突中，从主要树突轴起源并突起的小体积树突棘提供分区功能，并根据突触活动和发育阶段显示大小和形状的动态变化。树突棘是突触长时程增强（LTP）的结构相关物，因此与学习和记忆有关。要想准确观察树突棘的小尺寸、不同形状和动力学，一般要求采用超过衍射极限的分辨率并有可能进行活体成像的光学显微镜方法。第一个将活细胞SMLM应用于原代神经元的研究之一是使用碳菁染料（如Dil）可视化脊髓和丝状足。对于突触后膜结构的可视化，已经发现了一个新的膜标记试剂系列，该系列可实现神经元追踪和树突棘的可视化。最近，通过快速SIM和增强共聚焦显微成像研究了树突棘上微小突起（称为小刺）的动力学。通过将SIM成像与计算方法相结合，进一步评估了树突棘的几何结构，证实凹面对于棘结构稳定的重要性。在树突棘中，F-肌动蛋白高度定位富集在突触后密度区（PSD）和树突棘膜上。肌动蛋白的分子速度升高已让其扩散到除棘尖外整个棘的亚区。为了分析脊髓中肌动蛋白的动力学，我们设计了一种低亲和力的光转换肌动蛋白探针，并利用像差校正光学系统对活体脑切片动力学进行了表征。通过STED显微镜观察对phalloidin-ATTO647N标记的原代神经元，可以在树突棘颈和丝状棘中观察到F-肌动蛋白的周期性片段。同年，STORM成像也显示树突棘颈和丝状棘中存在以肌动蛋白为基础的周期性膜骨架。在树突棘中，分支的F-肌动蛋白在PSD附近聚集，而延伸仅限于指状突起的尖端，并为棘突提供了基础。通过基于监督学习的模式识别进行图像分割，可以对树突肌动蛋白组成异质性做自动分析。用SMLM也对树突F-肌动蛋白进行了同样的分析，并使用树突铂复原电镜进行了验证。使用STED显微镜在活体小鼠脑切片海马CA1神经元上进行延时拍照并结合FRAP及电生理学检查，证明在神经递质释放诱导的长时程增强（LTP)时树突棘颈部具有可塑性（宽度增加并长度减少）。使用正置STED显微镜实现了活体小鼠树突棘动力学的首次超高分辨率成像。在这里Thy1 EYFP小鼠体感皮层中的树突棘在其头部和颈部表现出形态可塑性。另外使用双光子STED成像对活体小鼠的海马树突棘动力学进行了研究，树突棘密度与早期报告相比高出2倍，并能测算几天内的树突棘蛋白周转率（图10）。图10 体内长时程双光子STED成像--海马CA1锥体神经元树突棘蛋白周转。左上图：使用长工作距离物镜的实验方法和CA1锥体神经元的双光子整体图像。右上图：传统的双光子成像与双光子STED成像的比较，显示了总体上更高的棘突密度和更详细的形态，特别是在轴和棘突中。空的箭头标志着常规双光子成像不能显示的棘突，而填充的箭头表示双光子STED报告的棘突数量更多、形态更复杂。底部图像：在海马CA1区基底树突的一个选定区域内，连续几天（第0天、第2天和第4天）成像的树突棘周转。树突棘被连续编号。AB=接近树突的轴突（缩回的棘突用红色标记；新的棘突用绿色标记）。转载自原文参考文献 273。此外，sptPALM揭示了富集在突触棘的突触后激酶CaMKII的空间和动力学亚群，该激酶介导钙依赖性可塑性机制。这些动力学似乎由棘肌动蛋白调节，因为Latrunculin A导致棘内CaMKII扩散显著改变。在PSD内的棘头，一个密集的蛋白质复合物含有不同的突触后支架蛋白，如PSD-95、homer1和shank3，它们排列在大小为∼80纳米的亚突触域中。根据不同的突触类型，PSD-95被动态组织为单个单元或多个纳米簇的形式。STED显微镜揭示了突触后支架蛋白负责将离子受体锚定到突触后膜上，SMLM观察到的活体原代神经元也是一样。在这里，活细胞单分子成像结合定量分析揭示了含有GluA2的AMPA-Rs（优先聚集在突触下的PSD-95簇中）的稳态调节。而PSD-95的uPAINT成像和AMPA-Rs的spt PALM报告在70 nm大小的PSD-95纳米域内平均聚集了20个AMPA-Rs，进一步证实了上面提到的这个发现。AMPA-Rs形成纳米颗粒，并能在几分钟内动态改变其大小和形状。与突触可塑性匹配的是：动态变化是通过突触内和突触外隔室之间的AMPA-Rs在时间维度交换，通过横向扩散来实现的。这些过程通过以微球标记抗体为靶点的内源性受体的单分子追踪实验得到证实。受体运动的类型被认为是布朗扩散，与突触后元件发生短暂的、低亲和力的相互作用。单分子追踪实验中使用Atto 647N修饰的抗体揭示了谷氨酸诱导的脱敏AMPA-Rs的侧向扩散增加导致的短期可塑性。AMPA-Rs的侧向扩散也与突触的短时程增强和长时程增强（分别为STP和LTP）有关。例如，已经证明，为了从突触抑制中恢复，脱敏受体通过侧向扩散被功能受体替换。此外，追踪实验表明，在CaMKII激活诱导LTP后，AMPA-Rs扩散到突触部位。这一过程由钙浓度升高触发，它导致CaMKII介导的stargazin（它与PSD-95一起能够调节AMPA-R的迁移率）磷酸化。进一步的研究报道，AMPA-Rs的交联导致膜上受体制动，它阻止了成功的LTP诱导。这一机制也可能导致由AMPA的致病性抗体介导的自身免疫性CNS疾病的病理生理学。与NMDA-R和mGluR5代谢受体的GluN1亚单位相比，AMPA-Rs的纳米级结构以不同的簇大小为特征。令人惊讶的是，突触前mGluR5受体表现出更均匀的分布，没有聚集行为。通过一种新的基于敲入的基因组编辑方法观察到，代表NMDA-R总库的内源性GluN1亚单位受体被证明聚集在一个由单个受体包围的主要单簇中。在关注NMDA-R细分的NR2A和NR2B亚型时，SMLM表明，在突触发育过程中，这些亚型被分割成纳米结构域，并根据其突触比率进行重塑。关于谷氨酸受体的活动性，单分子追踪实验揭示，神经元活动优先影响AMPA-R的活动性，而NMDA-R的活动是由蛋白激酶C活动触发的，而不是由钾升高触发的。此外，dSTORM成像表明，不同的NR2亚单位定位于不同的纳米结构域，这些纳米结构域在神经元发育过程中表现出灵活性。根据NR2A和NR2B的纳米结构，LTP的表达可以双向调节。kainate受体的单分子追踪实验也表明，突触捕获紧随着突触活性增加后发生。这里，突触激活导致的kainate受体与突触β-连环蛋白/N-钙粘蛋白复合物结合，形成短期可塑性。作为抑制性突触的对应物，gephyrin是将GABAA（GABA-a R）或甘氨酸受体（GlyR）并入突触后膜所必需的关键锚定分子。通过对突触中gephyrin分子的PALM/dSTORM成像发现：抑制性PSD（iPSD）体积为0.01至0.1μm3，并且每个iPSD中有200−250个gephyrin分子。单分子成像进一步揭示了gephyrin分子与受体结合位点的化学计量比约为1:1.96。类似于兴奋性突触，抑制性PSD（IPSD）根据突触活动动态调节其大小。通过NMDA-R激活形成的抑制性突触LTP加剧突触gephyrin积累，从而以CaMKII依赖的方式增加GABA-AR聚集，从而诱导GABA能突触后电流的增强。相反，抑制gephyrin向突触区的募集导致GABA-AR迁移率降低，并阻止iLTP的诱导。iLTP诱导后，gephyrin片段化为纳米结构域。gephyrin的重组降低了抑制性突触后电流的振幅变异性，证明了GABA-AR准确定位对于iLTP的真正表达非常重要。有趣的是，单粒子追踪显示，脱敏的GABA-AR甚至可以通过侧向扩散在并列的GABA能突触之间交换，为控制GABA能电流提供了另一种机制。此外，为了阐明多巴胺能突触的超微结构布局，dSTORM成像将多巴胺转运体映射到胆固醇依赖性纳米结构域，从而为更好地理解多巴胺能神经传递的病理生理过程奠定基础。5.4.亚突触结构域中的跨突触排列早期电生理学实验中已经发现，突触强度取决于突触前融合位点和突触后受体组织之间的空间关系，突触释放由释放位点的数量，突触小泡的释放概率，以及受体提供的突触后基本反应来决定。首先观测到的亚结构域的跨突触组织是突触粘附分子SynCAM 1位于边缘，EphB2位于PSD的中央。SynCam1在PSD中形成突触下云，可被长期抑郁症模式重塑。SMLM观察链霉亲和素的新单体变体（设计用于减少突触区域的交联和空间位阻），表明跨突触伙伴神经肽原1和神经纤维素1ß在突触处扩散受阻，形成相反的簇。这项研究还表明，另一种粘附分子LRRTM2的流动性不如神经肽1，并形成更密集、更稳定的簇。最近揭示了兴奋性突触上活性区的细胞基质和突触后受体支架的跨突触排列，它与提供高保真突触传递的靶向神经递质释放有关。在这里，释放位点定位是通过一种基于融合到突触囊泡蛋白Vglut1的pHluorin标记和RIM1/2纳米簇的超分辨检测的新方法实现的。多色3D定位显微镜显示RIM1/2和突触后PSD-95形成相反的纳米簇。LTP诱导导致PSD-95密度断裂增加，同时增强了纳米柱的排列，而LTD导致突触后柱的紊乱。突触前和突触后关键分子的这种纳米级排列主要由于neuroligin 1。此外，在应用STED显微镜的实时成像实验中，已经报道了树突棘体积增加和排列的纳米模块数量之间的紧密相关性。还报道了抑制性突触的亚突触结构域的纳米级排列。在这里，STED和SIM阐明了gephyrin和GABA-AR突触前亚区域的紧密联系。此外，突触后GABA-A 受体云显示与突触前边缘结构域结合（图11）。在小鼠神经肌肉连接处，带连接褶开口的突触后乙酰胆碱受体和突触前活动区的排列已通过应用SIM成像可视化。图11. 抑制性突触上的突触亚结构域。突触前的RIM元素与突触后的gephyrin支架分子以及抑制性突触的GABA-A R的突触下结构域的排列。PSD的体积和突触下域的数量随着活动相关的突触大小的变化而变化。转载自原文参考文献302。5.5. 三联突触星形胶质细胞是神经传递的基本调节者，神经元突触周围突触前星形细胞突起（PAPs）的吞噬产生了三联突触这一术语。PAPs能够通过传递调节分子来改变和控制突触的传递。通过dSTORM重建星形细胞突起，可以通过标记胶质酸性纤维蛋白（GFAP）和谷氨酰胺合成酶和S100b的成像来实现星形细胞的纳米级可视化。最近的一份报告应用ExM来观察脑片中突触周围的星形胶质细胞谷氨酸转运体显示，在与这些棘附近的GLT-1水平较高有关的较大的神经元树突棘中，谷氨酸的摄取效率降低（图12）。图12. 海马大脑切片中CA 1锥体神经元周围的星形细胞突起。锥体神经元的树突在Thy1-YFP小鼠系标记（绿色）；星形胶质细胞则是在海马脑片上的GLT-1免疫染色显示（红色）。蓝色信号代表树突区和星形细胞突起的共同定位。更高的放大率插图见右图。左下：大棘和小棘的分类。底部中间和右侧：GLT-1和神经元YFP的共定位像素的量化。请注意右图树突棘体积归一化后的变化；红点表示平均数和SEM，p = 0.0220 (绝对GLT-1覆盖率），p = 0.00223（相对GLT-1覆盖率）。转载自原文参考文献307。EM和STORM发现，PAPs也配备了局部翻译位点，以避免星形细胞体细胞中合成的蛋白质的长距离运输路线。最近在器官型切片中进行的3D STED显微镜研究揭示了星形细胞钙信号的结构前提。在星形细胞内检测到了海绵状结构，它包含了接近突触部位的节点和轴。钙离子瞬变的共聚焦成像与星形细胞结构的STED显微镜相结合，显示自发的钙离子瞬变紧密地映射到这些结点。因此，这些结点被认为是类似于树突棘的空间分隔作用。胶质传导物质的外渗需要提供胶质囊泡。通过将电容测量与葡聚糖摄取后星形胶质细胞内的囊泡的SIM图像相关联，发现了外吞和内吞之间的Dynamin依赖性膜中间物。通过STED显微镜和SIM分析单个胶质小泡的特征，在星形胶质细胞中有两个小泡群，其大小和融合能力不同。Phluorin实验结合SIM确定星形胶质细胞囊泡上Syb2分子的拷贝数为25∼。此外，应用STED和TIRF显微镜对培养的星形胶质细胞中的VAMP3阳性囊泡进行了单囊水平的分析。测量结果显示VAMP3覆盖的囊泡大小约为80纳米，并提供证据表明这些囊泡参与了钙依赖性的囊泡循环。SIM成像还可以发现，突触蛋白中一种已知的参与神经元外排的v-SNARE蛋白，也普遍存在并组织在单个星形胶质细胞的囊泡上，以实现高效的外排。星形胶质细胞还通过回收proBDNF到BDNF参与促进兴奋性LTP。这里，SIM成像显示，proBDNF在体细胞区域位于囊泡大小的集群中，而沿星形胶质细胞末梢的点状模式占主导地位，以扩大BDNF对记忆的作用。为了最大限度地减少激发光的散射，通过应用被动CLARITY进行组织透明化和多光子显微镜，改善了组织深处的星形细胞成像。通过使用SiR-actin和SiR-tublulin探针的STED显微镜和原子力显微镜（AFM）的相关方法来测量膜的拓扑结构和硬度，将星形细胞的细胞骨架和膜的生物物理特性联系起来。（未完待续）本文由超高显微技术应用工程师郭连峰、黄梓彤编译（受篇幅限制，未将参考文献列出）相关阅读：超高分辨率显微技术在神经科学中的应用（一）超高分辨率显微技术在神经科学中的应用（二）

p style=" text-align: center " 　 img style=" width: 450px height: 300px " title=" " alt=" " src=" https://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20180225/3c8aab60dba745dba378baa58e3763e7.jpeg" height=" 300" hspace=" 0" border=" 0" vspace=" 0" width=" 450" / /p p 　　2018年2月7日，国际学术期刊—美国神经科学学会会刊《Journal of Neuroscience》以封面形式报道了中国科大微尺度物质科学国家研究中心与生命科学学院毕国强、刘北明与周正洪教授合作课题组的研究成果—利用冷冻电子断层三维重构技术(cryo-electrontomography,cryoET)与冷冻光电关联显微成像技术(cryo- correlative light and electron microscopy, cryoCLEM)解析神经突触超微结构。 /p p 　　突触是大脑行为、意识、学习与记忆等功能的最基本结构与功能单元，同时也是多种脑疾病发生的起源。精确解析突触的分子组织架构，及其在神经活动过程中的变化被认为是解密大脑奥妙的最直接有效的方法，也是神经科学中最基础的研究工作之一。早期，生化与分子生物学、电生理学等研究发现了突触中的各种大量分子和细胞器组份，并揭示了突触的各种功能特性和可塑性规则。然而，由于研究手段的局限，突触中的这些不同的组件是如何组织成复杂的机器来执行不同的功能，还远远没有充分观察和解析。最新发展的冷冻电镜技术(cryoEM)，尤其是cryoET技术能够实现对亚细胞乃至全细胞在纳米水平分辨率的三维成像，为突触分子组织架构的解析提供了契机。 /p center p style=" text-align:center" img style=" width: 450px height: 253px " title=" " alt=" " src=" https://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20180225/1a09c6615b644cab8d1b801fb8bf6375.jpeg" height=" 253" hspace=" 0" border=" 0" vspace=" 0" width=" 450" / /p /center p 　　合作课题组利用cryoET结合自主研发的冷冻光电关联显微成像技术实现了对中枢神经系统中两类最主要突触-兴奋性/抑制性突触的精确区分以及结构特征的定量化分析。通过将大鼠的海马神经元培养在冷冻电镜的特型载网上，随后进行快速冷冻后并直接进行CryoET/CryoCLEM成像，课题组获得了一系列完整突触在近生理状态下的三维结构。结合定量分析手段，首次报道了抑制性突触的均匀薄片状突触后致密区结构，并发现两类突触中均存在椭球状突触囊泡，结束了关于两类突触在突触囊泡和突触后致密区形态精细结构上的由来已久的争论。进一步，利用当前最先进的结合了Volta相位板、电子能量过滤器和直接探测相机的冷冻电镜成像设备，合作课题组获得了突触在分子水平的精细组织架构，实现了在突触原位直接观察单个神经递质受体蛋白复合物及其与支架蛋白的相互作用。 /p center p style=" text-align:center" img style=" width: 450px height: 338px " title=" " alt=" " src=" https://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20180225/3d9159e6d55349468de507eb6529dbf6.jpeg" height=" 338" hspace=" 0" border=" 0" vspace=" 0" width=" 450" / /p /center p 　　这是当前国际上首次利用冷冻电镜技术对完整突触进行系统性定量分析。这一工作，一方面推动了对突触超微结构与功能这一“黑匣子”的解密，另一方面为突破冷冻电镜技术在复杂细胞体系中原位解析生物大分子复合物的组织结构这一技术挑战奠定了基础。 /p center img alt=" " src=" https://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20180225/45e3e783ec57412d8f858989386d1214.jpeg" height=" 454" width=" 356" / /center p 　　图: 利用CryoET解析离体培养海马神经突触三维结构的三维可视化渲染(Journal of Neuroscience 2018年2月7号封面) /p

荧光显微成像技术对人们理解神经科学起了非常关键的作用。而最近一些年出现的各种超分辨显微成像技术和专门的荧光探针能够以超过以往普通光学显微镜的分辨率直接观察神经元亚细胞结构和蛋白质排列。并以直观可视方式揭示了神经细胞骨架组成、分布、运动和膜蛋白信号传导、突触下结构和功能，以及神经元−胶质细胞相互作用。同时超高分辨显微成像技术（Super Resolution,SR,下文中出现SR均指超高分辨率显微成像技术）对于许多自身免疫和神经退行性疾病模型中的分子靶点研究也提供了全新的强大工具。今年春，Werner等科学家在美国化学学会会刊（ACS)上最新发表了一篇综述，比较详实系统介绍了超高分辨率显微技术在神经科学上的最新应用进展。我们在此文基础上进行了编译整理。因文章较长，我们将分三期陆续介绍。本期接着上期的第一部分超高分辨率显微技术在神经科学中的应用（一） ，为第二部分内容。4.荧光标记与样品制备4.1. 荧光标记神经元和脑片的超分辨率成像是用适当的荧光团标记感兴趣的生物分子，理想情况下是以定量和化学计量的方式。虽然SIM和其他超分辨方法的成像质量取决于信号背景（S/B）比，但SIM对荧光团没有特殊要求。另一方面，STED显微镜可达到的分辨率在很大程度上取决于所用荧光团的光稳定性。RESOLFT显微镜使用可逆光开关FPs，具有两个稳定状态，因此可以使用较低的激光照射强度。所有SMLM方法的定位精度取决于每个事件检测到的光子数。dSTORM需要光开关有机荧光团，包括菁、罗丹明和恶嗪染；而PALM则需要使用光开关、光转换和光激活FPs。与此相反，DNA-PAINT理论上适用于所有荧光团，因为开/关速率由对接链和成像链序列和缓冲条件决定，而其中 Cy3B和ATTO 643效果最好。、为了获得一张好的超分辨率图像，除了成像方法以外，样品制备也非常关键。使用荧光探针进行高效和特异的标记，并且使标记误差（荧光团和目标之间的距离）达到最小。为了通过荧光成像进行结构解析，标记密度（即荧光探针之间的距离）必须显著高于所需的分辨率。另一方面，特别是对于接近几乎分子分辨率的超分辨率成像方法，标记误差必须尽可能小，以达到高精度成像。对于活细胞标记而言，在合适的表达载体中融合感兴趣的蛋白质的基因编码FPs无疑成为首选。然而，FPs的亮度较低，与有机染料相比，其图像分辨率较低。理想的标记方法是使用荧光染料标记基因编码的蛋白质、肽标签或单一氨基酸。在模式生物如果蝇或秀丽隐杆线虫的应用得益于基因编码工具，通过转座子、操纵二分体Gal4/UAS表达系统或Crispr/Cas9方法引入或去除突触蛋白和荧光蛋白。由于瞬时转染的细胞表现出不同的蛋白质表达水平，蛋白质的分布和功能不一定反映野生型的情况。图5 通过单体链霉亲和素结合AP标记的突触蛋白成像结果显示Nlg1和LRRTM2的差异分布（dSTORM成像）。上排：Homer 1c GFP作为突触后室的参考。第二排：Nlg1和LRRTM2（dSTORM成像）。左下：频率分布直方图，用于显示相对于Homer 1位置中心的信号分散情况。右下：列出比较两种蛋白质的突触结构域数量的直方图。然而，通过构建优化表达，稳定表达的细胞或CRISPR基因敲入等方法可以产生从内源性到强过表达的蛋白质表达水平。根据不同的转染策略，可以采用不同的方法转染神经元。传统的磷酸钙共沉淀法和脂质体法在大多数实验室都可实施，但这两种技术的转染效率很低。而病毒转染的效率比较高，允许注射到大脑区域，但需要实验者具备病毒生产方面的专业知识，并需要考虑生物安全问题。此外，还必须考虑病毒类型、插入片段大小、毒性和差异表达等因素。要达到高转染效率，可以使用高压脉冲将核酸直接输送到细胞核，进行核转染。然而其缺点是，当这种方法应用于小鼠原代神经元时，会导致细胞存活率较低，并且实验设备昂贵，还需要根据神经元密度和物种对脉冲参数进行多次测试。另外，也可以使用细胞附着式高电阻管，在完整神经元网络（如器官型切片）中进行单细胞电穿孔。利用这种方式，结合CRISPR基因敲入获得了接近内源性的蛋白质表达水平。基于CRISPR基因敲入，在神经元发育的不同时间点通过脂质感染、核感染或病毒转染在神经元中实现。如前所述，FPs光稳定性和荧光光子输出较低，这降低了图像质量。另外，连接大小为2−5nm的FP后,蛋白质功能可能会受到影响。因此,首先必须清楚感兴趣的蛋白质在野生型的功能表现。而有机染料比FPs小得多，有更高的光子产率和光稳定性，但需要与其它能与感兴趣分子结合的分子进行连接耦合。对于固定细胞，使用一抗和二抗进行免疫染色仍然是标记内源性蛋白质的首选方法。缺点是由两个大小17.5 nm左右的IG抗体间接免疫标记有可能导致标记误差。使用直接法免疫荧光或Fab片段可以减少标记误差。另外针对GFP或转基因短肽标签的更小（1.5×2.5 nm）的骆驼“纳米抗体”已应用于dSTORM成像。此外，耦合了链霉亲和素的荧光染料可用于神经元和器官型组织中靶蛋白的特异性标记。使用这种标记方法，研究了神经氨酸酶-1ß、神经肽原-1和富含亮氨酸的重复跨膜蛋白2的动力学和纳米级结构，并揭示了跨突触粘附结构的形成（图5）。另外可以使用生物正交肽或自标记蛋白质标签，例如FlAsH tags, SNAP-tags, and Halo-tags。这些标签蛋白与目标蛋白共表达，并以共价和特异性结合其各自的荧光标记试剂或配体。对于肌动蛋白和微管的标记，可以使用小肽药物，如双环七肽-鬼笔环肽和紫杉烷类药物，如紫杉醇。膜和细胞器的标记可以通过荧光脂质和细胞器的追踪试剂来实现。此外，小肽或配体可以直接用荧光团标记，并特异性结合生物分子，例如，显示抑制性突触后位点的超结合肽。要达到最小的标记误差，可以通过单个非天然氨基酸的特定位点标记实现。通过基因编码导入设计的非天然氨基酸，并用四嗪染料进行生物正交点击化学标记。显然，神经元和组织切片必须根据要成像的结构进行透膜和固定。与所使用的标记方法无关，特别注意所用的试剂必须能保留自然细胞环境中生物分子的超微结构。通过化学试剂固定交联蛋白质，可能会影响结合亲和力，也可能削弱分子间的相互作用。在大多数情况下，多聚甲醛（PFA）和戊二醛已成功用于神经科学的超分辨率成像。此外，还引入了乙二醛等新型固定剂。膜分子应始终使用4%的PFA和0.2%戊二醛固定，以尽量减少残余流动性并避免伪影，例如抗体结合诱导的簇形成。4.2. 神经元的多色遗传标记荧光蛋白彻底改变了神经元的活细胞成像方式，因为荧光蛋白可以与感兴趣的蛋白质融合，并且在假定不影响野生型功能的前提下，用于双色和三色成像。神经系统具有非常高密度的轴突和树突相互作用结构，需要使用更多不同颜色的标记来区分不同的神经元连接。2007年，随着一种名为Brainbow的转基因方案的开发，这一问题得到了解决，该策略能够对神经元进行多色标记。结合单细胞分辨率成像技术，Brainbow技术可以用来创建大脑图谱，详细描述神经元如何形成回路，其连接体以及它们投射到何处。Brainbow利用了三原色，即可见光谱的所有颜色都可以由三种原色的不同混合物生成，即红色、绿色、蓝色（RGB）或转化为荧光蛋白，例如RFP、YFP和CFP。为了实现这一想法，应用了Cre/lox重组系统，该系统可以通过DNA切除、反转或染色体重组启动基因表达，使三个荧光蛋白基因中的一个在转基因中随机表达。转基因盒的多个拷贝的引入导致三个不同拷贝数的基因在每个细胞中组合表达，从而产生几十种颜色，使相邻神经元分化并观察其相互作用。Brainbow技术非常适合绘制不同神经元类型之间的连接模式，追踪轴突，并识别大脑中远距离的神经元连接。此外，已经证明Brainbow表达可以成功地用于研究周围神经损伤后的轴突再生，并检测大脑发育过程中的重要阶段。为了进一步改进Brainbow在包括突触蛋白在内的大脑和连接图谱中的应用，SRM的应用是显而易见的。最近通过结合Brainbow、顺序免疫染色和ExM同时研究同一脑切片上的形态、分子标记和连接，成功地证明了这一点（图6）。将这项技术应用到全脑研究一直是一个挑战，直到最近才成功应用。图6 结合Brainbow和ExM的多轮免疫染色和ExM(miriEx)成像。(A) 实验方案：在Parvalbumin cre/+ 小鼠的脑切片中，Parvalbumin蛋白阳性中间神经元通过Brainbow进行观察，并在下一轮应用4倍ExM成像。使用EYFP信号对Homer1和Gephyrin进行免疫染色来观察突触。(B) Brainbow 信号的免疫染色。(C) 分别通过突触后标记homer1和Gephyrin的免疫染色来区分抑制性和兴奋性突触。插图(D)−(F)和(G)−(I) 显示图像的更多细节图。(J)和(K)神经元的形态重建(使用ImageJ软件插件nTracer)，包括其各自传入的特征。虚线框表示(B)和(C)中所示的区域。重建的神经元按顺序编号。标尺(膨胀前的)：10μm(B/C)、2.5μm(I)、20μm(J/K)。4.3. 神经科学中的光电联合显微镜电子显微镜(EM)和电子断层扫描具有光学显微镜无法达到的空间分辨率，可以获得细胞和细胞器的超微结构信息。然而，EM和电子断层扫描不能标记特定的分子，因此难以识别未知的细胞结构或具有相似形态特征的结构。用胶体金标记结合抗体可以实现蛋白质的纳米级定位，但抗原的标记效率低下，这意味着胶体金颗粒的数量仅占抗原总数量的1%到20%。而另一方面，荧光显微镜虽然分辨率较低，但可以进行大视场成像和对活细胞中蛋白质进行定位。对固定样本细胞中的各种分子进行高效和特异的分子标记后，结合超分辨率荧光显微镜方法，达到的空间分辨率可以远低于衍射极限。因此，光电联合显微镜（CLEM）作为一种通用的方法，在电子显微镜提供的细胞超微结构背景下，通过超分辨率成像来可视化蛋白质的定位和相互作用。然而，将超分辨率成像与EM结合起来更为困难，因为乍一看，这主要是由于两种方法的样品制备流程不同且不兼容。例如，EM中保存超微结构所需的固定和染色会引入很强的自发荧光。而且荧光蛋白还会在固定和聚合物包埋所需的脱水和氧化条件下淬灭。此外，这两幅图像必须在纳米精度下精确叠加，首先需要使用在荧光成像和EM中都表现出极好的对比度的固定对准标记物，如裸金微球。 另外，样品脱水引起的结构变形会严重破坏两幅图像的正确叠加。所以必须在超微结构和荧光保存之间找到折衷方案。例如，已经证明，对于某些周期性分子结构，如核孔复合体，无需使用对准标记，dSTORM和EM扫描图像可以以20 nm的精度叠加。光电联合显微镜的流程是先对轴突和树突进行荧光实时成像后，再使用透射电镜观察。例如，表达GFP的脑组织在荧光成像后进行化学固定，再使用电子密度标记进行免疫标记，例如EM金。或者采用更成熟的方法，如过氧化物酶或胶体金标记。最后，可以通过光转化在荧光团处局部生成二氨基联苯胺（DAB）聚合物。为了克服标记问题并确保超微结构的保存，已经开发了用于EM (NATIVE)的纳米体辅助组织免疫染色。NATIVE能够高效标记蛋白质，无需苛刻的渗透步骤、特殊树脂、锇替代物或透明化试剂。随着方法的改进和技术的发展，光电联合显微镜已被证明是研究不同种类突触和定位突触蛋白的理想选择。5.超分辨显微镜观察神经元隔室/突触以及神经元−胶质细胞相互作用下面我们将展示通过超高技术获得的有关细胞骨架组成和动力学、突触前室和突触后室对神经传递准确性至关重要的分子组装，以及形成神经元功能的星形细胞结构的调节和构建的最新数据。5.1. 细胞骨架神经元的极化性质以及树突和轴突的长度都需要结构和功能性支架来支持它们的稳定性、适应可塑性和物质运输，这些特性对神经元的存活和信号传递是必不可少的。因此，神经细胞骨架的结构在过去几十年中引起了神经科学家的注意，并在其它文献中进行了详细的回顾。20世纪70年代的电镜研究表明，神经细胞骨架由三种主要类型的神经纤维组成：大小约为20−30 nm的微管，直径为10 nm的神经纤维和5−10 nm大小的肌动蛋白丝。微管是由异二聚体在GTP依赖性组装过程中结合α和β微管蛋白单体组装而成的圆柱体，称为原丝，再由13个这样的原丝形成一个微管单元。轴突的微管成束状组织，并根据其相对于神经元胞体的位置显示不同的方向。它们的极化通过快速增长的正端和缓慢增长的负端体现。STED显微镜揭示了快速生长极依赖钙锚定在肌动蛋白皮质上。使用dSTORM对发育中的神经元进行活细胞成像证明了神经元极性和轴突具有方向一致的、平行的由TRIM46驱动的微管束，而树突微管的特征是混合极性。用Motor-PAINT方法进行纳米跟踪发现稳定和乙酰化的微管显示负端向外的方向，而动态和酪氨酸酶化的微管则显示相反的方向（图7）。例如轴突起始节中微管密集地聚集在束簇中，由于密集的重叠定位，使用SMLM方法具有挑战性。这个问题可以通过两种实验方法来解决：第一，设计更小的标记探针，如微管蛋白纳米抗体，这不需对神经元微管更详细的观察。第二，一种降低群聚密度的超分辨率方法，如ExM，可用于胞体和树突中微管亚群的可视化。神经纤维是在轴突中形成的广泛平行网络的异质聚合物，它为轴突提供稳定性并调节轴突直径和传导速度，其组成包括低、中、高分子量神经纤维、中间蛋白和外周蛋白的三联体。它们的自组装首先形成平行的异二聚体，然后半交错地结合成反平行的四聚体。最后，八个四聚体横向聚集成单位长度的神经纤维，进一步拉长并径向压缩至最终的神经纤维外观。用电镜观察到在神经纤维之间的交界面，形成3−5 nm大小的交叉桥，但对其功能及其与神经纤维的分子相互作用仍不清楚。在这里，ExM与SMLM的结合或DNA-PAINT的应用可能有助于研究密集神经纤维中的这种相互作用。神经纤维动力学已经通过光转换和光活化SRM实验进行了研究，显示了端到端蛋白合成中的退火和切断过程。肌动蛋白最初被认为与一组更集中的短肌动蛋白丝结合在一起，在轴浆中形成斑点状的膜下层。在原代神经元和脑切片中使用phalloidin Alexa Fluor 647进行STORM成像，揭示了轴突肌动蛋白的新的组成原理。这些实验揭示了轴突中存在圆周式肌动蛋白环，每190 nm固定重复间隔绕一圈，并进一步表征了轴突中具有类似尺寸的ßII血影蛋白和钠通道的周期性条带，而树突状腔室内显示出更细长的肌动蛋白组织。此外，通过STORM成像发现，并通过STED显微镜的研究得到证实，这种肌动蛋白组织模式的普遍性也存在于树突中。进一步的报告发现，尽管树突中也存在基于肌动蛋白血影蛋白的周期性膜骨架，树突中这种结构的形成倾向和发育速度低于轴突。此外，本文还显示了肌动蛋白和血影蛋白在胞体和部分树突中的二维多边形晶格结构，类似于红细胞中的膜骨架结构。此外，使用SiR-actin，可通过STED显微镜在活的原代神经元中观察到这种周期性结构。最后，最近的CLEM方法结合铂金复原电镜（PREM）和STORM研究了无顶轴突中的肌动蛋白组织，并提供了轴突编织状肌动蛋白结构与周期性肌动蛋白超微结构相关的证据（图8）。图8。原代神经元无顶轴突（unroofed axons）的CLEM成像（结合铂复型电子显微镜和STORM的光电联合成像）。用铂复型电镜（PREM）（灰色）显示的轴突辫状条带（箭头）被叠加到大鼠原代神经元的超分辨肌动蛋白环（伪彩）上，比例尺=2, 1, 0.2μm（从左到右）。中间：轴突辫状条带间距测量后显示出与周期肌动蛋白间距相似的尺寸。右图：在铂复型电镜（PREM）中记录的神经纤维厚度，未分裂（交织在一起）和分裂（分裂开）的轴突肌动蛋白辫状条带为蓝色，树突中的单个肌动蛋白神经纤维为紫色，微管为灰色参考。采用平均值和标准误显示数据。Copyright 2019 Springer Nature.ßII 血影蛋白基因敲除导致周期性肌动蛋白环结构破坏，同时细胞器的双向轴突运输受损。SMLM结果显示，与轴突相比，轴突起始节中的分子组织其特征是轴突起始节（AIS）蛋白ankyrin-G和ßIV-血影蛋白，这种基于肌动蛋白-血影蛋白的细胞骨架与远端轴突相似。此外，在AIS中存在ßIV-血影蛋白和Ankyrin G，而在远端轴突中存在ßi--血影蛋白和Ankyrin B。SMLM显示与肌动蛋白环相连的纵向头对头ßIV血影蛋白和Ankyrin的二价取向有助于建立紧凑的AIS超微结构，该超微结构甚至对针对肌动蛋白和微管的药物治疗具有抵抗力。进一步显示Ankyrin-G会聚集到亚结构域，增强神经元活性，而成为精神疾病的主要风险基因。随后的SMLM研究还阐明了αII血影蛋白与ßIV血影蛋白共同在AIS提供强健的周期性细胞骨架组织以及防止AIS装配不完全和神经变性的重要性。一份相关报告显示，αII 血影蛋白丰度随有髓鞘轴突直径的增加而增加，表明大直径轴突更容易发生神经退行性病变。在免疫标记II血影蛋白后，将其连接到一种可膨胀的聚合物，并在水中膨胀后，通过ExM研究ßII spectrin沿轴突的周期性模式。这一新方法证实了如前所述的细胞骨架内部的组织原理。不幸的是，在ExM过程中，phalloidin探针在膨胀过程中被冲掉。有两种策略解决这一问题：一方面，携带甲基丙烯酸基团的phalloidin三功能抗体被设计用于与凝胶的有效标记；另一方面，最近的一份报告使用荧光团结合抗体，类似于常规免疫染色，将荧光团靶向phalloidin探针与凝胶连接。在中枢神经系统的几种神经细胞类型和动物物种中，肌动蛋白和附属蛋白的强大超微结构组织也得到了证实。外周神经系统（PNS）中，STED显微镜也显示在梳理的神经纤维样本上有重复的细胞骨架成分。最后，SMLM揭示了肌动蛋白-血影蛋白骨架的一个重要生物学功能：它可以作为一个信号平台，通过组织跨膜信号蛋白，包括G蛋白偶联受体（GPCR）、细胞粘附分子（CAM）和受体酪氨酸激酶（RTK），在神经元中进行信号转导从而实现GPCR-和CAM介导的RTK信号。5.2. 突触前室为了确保有效的神经化学传递，突触前膨大参与突触囊泡循环、神经递质填充以及与突触前膜在活性区（特殊蛋白质密集分布的纳米隔室）的融合，以最终释放神经递质。在这里，我们关注SRM如何扩展我们对突触前功能的理解。早期只能使用EM对化学固定神经元里的小直径突触小泡进行研究，但随着SRM的出现，应用快速STED显微镜，通过免疫标记位于突触前室突触小泡上的钙传感器突触标记蛋白1（SYT1）来观察突触小泡的活动。STED显微镜进一步显示，突触小泡融合后Syt1分子似乎驻留在突触膜上，也支持胞吐后突触小泡蛋白的清除过程。此外，在突触小泡融合过程中，当暴露于细胞外空间时，靶向Synaptobevin 2 pHluorin的荧光团结合纳米体后，亚衍射追踪显示了突触小泡的异质性迁移。一种类似的方法使用vGlut1 pHluorin在原代神经元中的表达来观察单个神经元突触小泡，定位精度为27 nm，并揭示了突触小泡的多个不同释放位点。作为一项方法学的进步，为了对主动循环的小泡成像，设计了一种名为mCLING的亲脂膜探针，该探针可对突触膜进行染色，通过内吞作用和固定，可以进行免疫标记，且和SRM相结合。突触小泡的胞吐过程需要一组属于突触前细胞基质的突触前蛋白质的高度可靠的相互作用，使突触小泡接近和暂时驻留在所谓活动区的膜上，并最终释放突触小泡。黑腹果蝇易于遗传，有助于精确定位果蝇幼虫神经肌肉接头（NMJ）活动区的第一个重要蛋白质。Bruchpilot（Brp）是一种必不可少的活性区成分，是一种大的、卷曲的螺旋蛋白，对于钙通道聚集和突触囊泡定位到突触释放位点至关重要。除了通过Brp研究钙通道聚集外，STED显微镜还证明了该蛋白细长的组织结构，并揭示了与Brp相互作用的蛋白（如syd-1α、liprin和rim结合蛋白（RBP））的定位。定量dSTORM方法研究了果蝇活动区Brp丝的数量，并显示了Brp的结构组织与其功能之间的强相关性。接下来的研究通过dSTORM评估Syt1敲除后的活动区（CAZ）电生理学和细胞基质参数。这项研究表明，在果蝇NMJs 1b型突触膨胀中，Syt1基因的敲除导致更高的Brp计数和簇内Brp图谱的改变。在哺乳动物突触中，突触前支架蛋白bassoon 和 piccolo参与突触囊泡释放的调节。据报道，bassoon蛋白通过与RBP的相互作用来控制CaV2.1型钙通道的定位。此外bassoon蛋白能加速囊泡释放，因为其丢失导致小脑苔藓纤维到颗粒细胞突触中的突触囊泡数量显著减少和突触抑制。STED显微镜显示bassoon 和 piccolo蛋白是一个夹心三明治结构，两侧为piccolo蛋白，bassoon蛋白居中。STORM成像通过距离测量显示bassoon蛋白相对于突触前和突触后室中其他相关突触蛋白质的方向。囊泡胞吐过程由一组可溶性ethylmaleimide敏感因子附着受体（SNARE）蛋白质进一步协调。位于突触膜上的囊泡SNAREs (v-SNAREs) 蛋白和 t-SNARES蛋白的复杂形成导致突触囊泡成功融合。在质膜上的突触体相关蛋白25（SNAP-25）和突触融合蛋白聚集首先通过STED显微镜进行研究。这项研究表明，大约75个突触融合蛋白分子被堆积成50- 60 nm大小的纳米团簇。在之后的研究中，SMLM以更高的精度对SNAP-25和突触融合蛋白的分布进行成像。在这里，描述了Syntaxin簇内的分子密度梯度。dSTORM成像显示，未聚集的分子紧密地定位于聚集区域。最近的一项研究显示了一种以syntaxin或SNAP-25为靶点的像。研究表明，集中在突触前部位的60%的通道是可变的。此外，通过应用BAPTA钙缓冲降低了钙通道的扩散。结果表明，突触小泡和钙通道之间的纳米域偶联保证了神经传递的精确度，并可根据需要通过突触前钙通道的扩散进行精细调节。 在融合和递质释放后，内吞机制诱导循环产生新的囊泡，从而重建可释放的囊泡池并为持续的神经传递提供基础。囊泡循环的主要机制由网格蛋白介导的内吞作用组成。使用光遗传学和”闪光冷冻”电镜的研究也报道了比超快的内吞快200倍的过程。如双色iso-STED显微镜所示，通过摄取针对囊泡内膜结合位点的Syt 1抗体，将内吞位点定位到活性区外周。此外，在神经内分泌细胞中，STED显微镜也揭示了囊泡只能部分与突触前膜融合释放递质，形成一个“Ω”形状的结构，而没有完全融入膜中，因此有利于“接触后即脱离”（kiss and run）的模式。与网格蛋白介导的内吞作用相比，它会产生更快囊泡再循环率的递质释放模型。依赖于活性的大量内吞作用进一步增加了可能涉及的机制的复杂性，有人提出，根据突触类型和活动，多种内吞模式可能并行运作。本文由超高显微技术应用工程师郭连峰、黄梓彤编译

日前，来自梅奥诊所（Mayo Clinic）等机构的研究人员在美国神经科学学会年会（Society for Neuroscience' s annual meeting）上报告称，他们研制出了一台名为 Harmoni 的深部脑刺激（DBS）植入设备，首次能够在进行电刺激的同时，监测大脑内部的电反应和化学反应。该设备已经在大鼠和猪等实验动物身上进行了测试。 深部脑刺激技术长期以来被用于治疗运动障碍，但现在已迅速发展为针对包括抑郁症、抽动秽语综合征、强迫症甚至老年痴呆症等神经疾病的一种实验性疗法。尽管相关治疗取得了一些令人鼓舞的成果，但关于植入大脑深部的刺激设备所传递的电脉冲是如何影响神经回路和改变患者行为的，科学家所知并不多。现在，这个深部脑刺激设备原型或许能够提供一些答案。未参与这项研究的凯斯西储大学生物医学工程师 Cameron McIntyre 表示：“这是我们此前在人类身上无法真正获取的新数据。”该团队希望，这个设备能够确定大脑中哪些电信号和化学信号与一些症状的存在和严重性实时相关，比如帕金森氏症患者所经历的震颤。这些信息有助于揭示脑深部刺激在何处和如何发挥其对大脑的治疗性影响，以及为什么有时候会失败。 Harmoni 是基于现有深部脑刺激技术的电子记录能力研发而成的，其增添了应用于动物研究的化学传感技术。该设备采用一种被称为快速扫描循环伏安的方法，在大脑内施加一个局部电压变化，将电子短暂拉离特定的神经递质，从而产生可以测量的电流。神经递质是大脑中激活或抑制神经元的化学物质，每个神经递质分子生成的电化学签名不同，每隔 10 毫秒，就可以根据签名来识别神经递质并估测它的浓度。研究团队已经利用大鼠和猪对 Harmoni 系统的一部分进行了测试。手术中，他们先通过功能性磁共振成像技术找到对植入部位的电脉冲作出响应的大脑区域，然后在此插入化学和电子传感器，就能够合成一幅显示神经元如何受激并释放出何种神经递质作为响应的图像。动物实验的初步结果表明，通过刺激底丘脑核， Harmoni 能够测量出大脑尾状核中神经递质多巴胺水平的上升。而这正是建议用深部脑刺激法治疗帕金森氏病采用的机制之一。该设备的人体试验也在逐步推进中。但研究项目负责人、梅奥诊所的神经外科医生 Kendall Lee 表示，这项研究还处于早期阶段，他们正设法让记录电极更耐用，同时让设备更加小型化，以便能够植入患者体内。研究的合作者、孟菲斯大学神经科学家 Charles Blaha 强调，还需要深入了解大脑的健康和紊乱状态分别用何种电化学签名来描述，以及如何刺激大脑才能使其保持健康模式。

人类的大脑是非常复杂的，大约有1000亿个神经元，估计有100万亿个连接。即使你知道大脑的主要区域，如大脑皮层、小脑、下丘脑、丘脑、额叶、枕叶、颞叶、顶叶、杏仁核、海马体和延髓，你仍然远远不能理解大脑是如何在包括细胞、分子和基因表达模式和关系的更深层次上组织的。人类大脑计划（HBP）项目的科学家们正在努力了解人脑的深层复杂性。凭借其定制的研究基础设施，他们正在将神经科学推进到新的水平。HBP是一个由来自123个机构的500多名研究人员组成的大型研究项目。大脑区域的特定细胞、分子和基因表达模式与功能有关，但它们之间的确切关系在很大程度上仍然未知。HBP项目的科学家们的新发现阐明了这些关系，并使人们能够更全面地了解人脑组织。HBP项目的研究人员进行了一项针对皮层组织三个层面的研究：细胞结构、神经递质受体结构和神经递质受体基因表达。该研究阐明了人类大脑组织在视觉、听觉、体感和运动功能系统方面的原则，超越了形成新皮质的“马赛克”区域的简化观点。该结果发表在《神经影像学》杂志上。为了揭示功能系统的不同属性，以及一个功能系统内的脑区在处理层次方面的不同--从初级到高级联想，该团队分析了Julich Brain Atlas图谱--人类大脑的三维多模态图谱--的细胞结构和受体结构数据，并将这些数据与艾伦人脑图谱的转录组数据进行了比较。“弥合不同层次的大脑组织之间的差距是当今神经科学的最大挑战之一。在Julich Brain Atlas图谱中，我们可以系统地做到这一点。它整合了数据，是一个宝贵的工具，”该研究的第一作者Daniel Zachlod说。研究人员在视觉、听觉、体感和运动系统的15个细胞结构区调查了神经递质受体密度与其相应基因的关系。他们分析了这些功能系统中每个脑区内的差异性基因表达。“我们发现，一个功能系统内的受体结构和基因表达模式以一种系统的方式发生变化，与信息处理的复杂性增加相对应，”HBP项目科学主任Katrin Amunts解释说。该研究展示了一种方法，通过使用多层次的Julich-Brain Atlas来揭示结构与功能之间的关系，以连接不同规模的大脑组织。以前的研究已经表明受体基因的表达与啮齿类动物的大脑功能分化有关，但关于人脑的数据要稀少得多，也更零散。本研究的作者认为，必须将这种研究扩展到人脑，以便更好地了解健康的大脑，以及神经递质系统改变的大脑疾病的发病机制。

液质妙手来自何方？妙手来自于安捷伦出色的用户们。安捷伦推出液质妙手系列第一集——博莱克科技(武汉)有限公司(简称博莱克)的科研试剂盒。　　关于代谢组学这盘棋…她这么说：　　“目前对于分析化学的硕士研究生来说，能开发出一套基于UHPLC-MS的代谢物小分子的检测方法，其实已经满足毕业要求了。但是这个方法在应用于大样本检测中的稳定性、普适性、便利性，很难得到保证。大家都知道，毕业后这个方法就像武功秘籍一样，面临失传的风险，而在这个方法基础上做进一步的优化和提升，就难上加难。”　　“我们起初的想法，就是把研发好的新方法进一步锤炼，变成一个稳定可靠的商业化检测服务，不管测几个还是几千个样本，不管什么类型的样本，不管哪个批次的样本，都能得到一致的结果。让科研用户能够像使用计算机一样的便利，只用简单输入(明确测什么)，我们来做标准化的输出(定量检测结果)，而不是让每个科研用户自己从零开始造一台计算机(开发检测方法)。”　　“我们服务过很多科研用户，有研究阿尔兹海默症的，有研究颅内动脉瘤的，有研究乙肝治疗效果的，还有研究抗结核药物新靶点的。科学家们有不同的研究方向，而我们要做的就是提供代谢组学通用化的检测服务，帮助他们在病理生理、药物研发、营养学、环境科学等诸多领域中，加速新Biomark、新功能、新机制的发现过程。”博莱克副总经理 喻门　　疾病的发生机理和相关代谢物变化，一直是生命科学科研领域的热点。代谢组学通过检测技术，研究和发现人类某些标志物或代谢物的表型和规律，提前实现疾病的预防甚至治疗。而精准、快速、方便的检测设备和方案，也因此成为了疾病研究和治疗，以及整个代谢组学发展的关键。　　一直以来，安捷伦践行“在中国、为中国”，通过提供安捷伦尖端、稳定、高性能的产品平台，以及专业的知识和技术团队，帮助更多的本土的合作伙伴企业实现创新，针对不同的细分市场和需求，开发极具竞争力的新产品和解决方案。博莱克科技研发团队与安捷伦的超高效液相色谱-串联质谱(UHPLC- MS/MS)平台　　近日，正是基于安捷伦的超高效液相色谱-串联质谱(UHPLC- MS/MS)平台，代谢组学科研服务公司——博莱克科技(武汉)有限公司，研发了一系列代谢物小分子定量检测方式，推出3套定量检测试剂盒产品，可针对实验动物和人体血样、尿样中的20种蛋白质氨基酸、12种神经递质和6种儿茶酚胺进行精准定量检测，让医疗健康和代谢组学领域的科研和检测人员，都能便捷、快速地完成多种指标的检测。试剂盒检测指标　　通常情况下，想要准确测量人类血液、尿液和唾液等样品中代谢物的绝对结构，定量它们的浓度及其变化规律，需要昂贵的检测设备和复杂的检测方法。在没有试剂盒的情况下，根据检测目标物的种类、个数、方法、设备情况和人员熟练度情况的不同，开发一个稳定的检测方法可能会需要数月时间。而代谢物定量检测试剂盒具备试剂集成化、方法标准化、操作便捷等优点，可以大幅提高科研人员的实验效率及实验室管理效率，免去了冗长繁杂的检测方法开发和测试的时间，让研究者更加关注数据分析本身而非仪器方法的开发。　　无论是高校、研究所的老师和学生，还是医疗机构临床科研部门的研究人员，均可采用成熟的商品化试剂盒加速科研进度，同时提升检测结果的可靠性和重现性。放眼未来，随着人类对疾病发生、发展、预防、治疗不断深入的研究，该类试剂盒亦有可能拓展到临床检测维度，打开IVD检测领域的新世界。　　安捷伦液相色谱系统的可靠性和稳定性极佳，系统耐压上限1300 bar，动态流速范围可高达 5 mL/min，适合快速精确分离多种代谢物组分。而三重四极杆质谱具有出色的灵敏度、精密度和扫描速度，既使样品量极少也能精准定量。这些优越的性能，是博莱克开发快速定量检测方法的硬件基础。在大量检测不同类型样本完善检测方法后，进一步衍生出商业化的试剂盒产品。　　从应用出发，满足科研工作者的实际需求是博莱克公司的一贯目标。试剂盒所覆盖的靶标经过了精心筛选，除了功能丰富的20种蛋白质氨基酸以外，还选择了近年来的明星分子神经递质和儿茶酚胺。这两类代谢物在生物体内含量极低，检测难度极大，据研究表明，可能与多种疾病具有一定相关性。神经递质对心血管、神经、内分泌等组织系统有着广泛的调节作用，并对如睡眠觉醒、情感、情绪、应激行为等生理活动产生重要影响。　　例如上文提到的，在抑郁症相关的研究中，有研究者发现，在抑郁症患者的血浆中GABA通路(神经递质类)和儿茶酚胺通路相关代谢物的浓度与健康人有显著性区别，可能是潜在的诊断抑郁症的标志物。嗜铬细胞瘤和副神经节瘤(PPGL)会合成、分泌和释放大量儿茶酚胺，引起患者血压升高和代谢性改变等一系列临床症候群，并造成心、脑、肾、血管等严重并发症甚至死亡。 “嗜铬细胞瘤和副神经节瘤诊断治疗专家共识(2020版)”中推荐使用LC-MS/MS检测血、尿中的儿茶酚胺用于辅助诊断。　　除了应用上的多元性外，博莱克全新研发的试剂盒产品，还具有以下技术优势：　　 串联质谱：定量检测小分子的金标准，特异性强，一次同时检测多个靶标　　 增敏探针：授权专利(专利号：ZL 201610424377.9，专利类型：发明专利)，特异性结合并自带电荷，灵敏度提高至少两个数量级　　 用样量少：仅需20~150 μL血样或20 μL尿样，针对痕量物质表现依旧优异　　 保护巯基：对于易被氧化的-SH有特殊保护，能准确检测半胱氨酸的正确浓度试剂盒功能和应用　　博莱克科技(武汉)有限公司(简称博莱克)创立于2015年，专注于代谢组学在科研服务领域的技术开发与应用。在正式推出代谢组学试剂盒之前，博莱克为北京阜外医院等多家科研机构提供了能覆盖数万种代谢物的检测服务，总结发现了众多科研客户对于部分重点检测目标的高频需求，并基于此着手开发通用试剂盒。　　在2021年安捷伦与博莱克达成战略合作后，双方一直共同致力于液相质谱适配检测试剂盒技术合作开发，推动检测技术在代谢组学方面的实地应用。在此次试剂盒研发过程中，安捷伦不仅提供了先进、稳定的检测技术平台，而且相关产品专家不断跟进和交流，为产品研发提供了重要指导和帮助。博莱克科技 技术团队　　代谢组学应用前景广阔，潜力可期，为科学家未来进一步解析复杂生命系统的机理与奥秘指明新的方向、提供有价值的线索，有望引领新一轮健康科技与生物产业变革。而代谢组学超灵敏、超高通量的测量技术需求必将挑战当今最优秀仪器的性能极限，对仪器提出全新要求并倒逼仪器硬件能力的提升，进而使仪器技术与分析方法再出现“质的飞跃”。　　因此，未来双方将继续研发和转化更为丰富的代谢物定量检测试剂盒，满足科研用户的实际需求，并期待产品能在健康、医疗领域有进一步的应用和发展。同时共同发力代谢组学成果转化领域，探索新靶标、新产品、新应用，打造更多新型的科研乃至临检试剂盒，服务于“中国人健康”。　　安捷伦也将继续与行业合作伙伴通力协作，通过提供安捷伦尖端、稳定、高性能的产品平台，以及专业的服务和支持，助力更多本土企业实现创新和发展。接下来，通过“液质妙手系列”，我们也将分享更多基于安捷伦液相质谱平台实现创新的案例和故事，敬请期待!　　附录：从1999年诞生以来，代谢组学这门学科经历了20多年快速发展阶段，从基础研究到应用均取得了诸多成果，在中国的发展更是有两个标志性的事件：一是2017年启动的“国际人类表型组计划”，该项目由复旦大学联合中科院上海生命科学研究院、上海交通大学、上海市计量测试技术研究院等共同承担，是上海首批市级科技重大专项之一，由中国科学家发起，细致描绘代表人群的全表型谱，系统解析表型组与基因组的关联，发现人类健康和疾病等表型特征形成的内在规律和生物标志物，代谢组学是其中重要一环。二是2018年中国生物物理学会代谢组学分会的成立，标志着我国代谢组学领域研究人员进入集体共发展的阶段，重点关注行业的人才培养、研究水平提高、规范化、标准化等问题，通过定期举办学术会议、讲习培训班、陆续推出行业标准等一系列举措，促进我国代谢组学领域的进一步深入发展。

近年来，随着人们对自身健康的关注，有机食品成了人们的宠儿，越来越多的人愿意付出更高的价格购买天然、环保、健康、安全的瓜果蔬菜。但曾在2018年，央视曝光“有机”蔬菜不有机，顶着10倍的身价，仍被检测出多种农药残留。高价购买的“放心蔬菜”却不能放心，可见农药残留之泛滥，针对此现象，如海光电基于表面增强技术，推出了食品中农药残留快速检测方案。蔬菜瓜果中农药残留最常见的是有机磷类农药，例如三唑磷、保棉磷、对硫磷，倍硫磷、乐果等，大部分是用做杀虫剂的，也有一些品种可做杀菌剂、除草剂、灭鼠剂等。目前有机磷农药也是农药工业的主体，在品种的数量、产量和市场占有率方面居于农药的首位。有机磷农药是含磷的有机物，有的还含硫、氮元素，大部分是磷酸酯类或酰胺类化合物。其通式如下：其中R1、R2多为甲氧基（CH3O-）或乙氧基（C2H5O-），X多为烷氧基、芳氧基或其他取代基团，如：有机磷农药进入靶标生物体内可与乙酰胆碱酯酶结合，产生抑制乙酰胆碱水解的作用，而乙酰胆碱作为神经递质大量积聚，可作用于乙酰胆碱受体，同时突触部位的正常神经冲动传导受阻，进一步产生严重的神经功能紊乱。有机磷农药与胆碱酯酶结合生成的磷酰化胆碱酯酶有两种形式。一种结合不稳定，如对硫磷、内吸磷、甲拌磷等，部分可以水解复能：另一种形式结合稳定，如三甲苯磷、敌百虫、对溴磷等，被抑制的胆碱酯酶不能再复能：综上，有机磷农药用作杀虫剂的生物活性作用机理主要是其对靶标生物体内的乙酰胆碱酯酶有强抑制作用，进而抑制乙酰胆碱的水解，引起神经调节功能紊乱，表现为神经异常兴奋，发生异常活动，最后强烈痉挛，致死。传统的食品中有机磷农药残留检测方法是液相色谱、气相色谱及其与其他设备联用等方法检测，由于其定位的使用场景，比如仪器昂贵、体积大、操作复杂，一次只能检测量少，费时费力，目前尚难以满足大批量样品检测的需求。而利用表面增强拉曼的方法，通过提取分离富集等操作步骤，可以对有机磷类农药做快速检出，整个检测过程在15分钟之内即可完成。方法操作简单快捷，并可对多种有机磷类农药进行检测。以下是苹果基质中加标检测谱图：除食品农药残留检测，如海光电还研发了包括减肥保健品西布曲明、保健品那非类药物、兽药残留等多达上百种常用科目快速检测方案，致力于分析与研究、服务与分享，为保健食品安全行业保驾护航！

近日，中国科学院深圳先进技术研究院（简称“深圳先进院”）成功研发国内首台高清晰磁共振兼容人脑PET功能成像仪器（命名为“SIAT bPET”），实现了我国在高端磁兼容脑PET成像仪器研发方面零的突破。“通常，PET成像仪器由于探测器的深度不确定效应，空间分辨率会随着偏离成像视野中心而变差，严重影响成像精度。”深圳先进院医工所劳特伯生物医学成像研究中心研究员杨永峰表示，他们团队研发了高三维分辨率双端读出探测器，使得该大口径成像系统达到14%的中心效率（350-750 keV能量窗），和整个成像视野好于1.4 mm的空间分辨率，两项性能指标都处于国际领先水平。 杨永峰介绍道，与国外商业磁兼容脑PET成像仪器相比，SIAT bPET的效率提高了近2倍（从7.2%到14%），平均体分辨率提高了30倍以上（从约64mm3到2mm3）。同时，SIAT bPET采用了创新的电子学和磁兼容设计，使得磁共振成像对PET成像的影响几乎可以忽略不计，PET成像对磁共振成像图像信噪比的影响小于5%，满足同时开展PET/MRI成像的尖端科研需求。 据了解，PET和MRI都是脑科学研究和脑疾病诊断的重要工具，PET的高灵敏度、高定量精度功能代谢成像和MRI的高空间分辨率、高软组织对比度解剖结构成像高度互补，PET和MRI还可以相互辅助，进一步提升各自的脑神经成像能力。PET分子成像通过测量大脑的血流、葡萄糖和氧的代谢、蛋白质的生成、药物的分布和神经递质的动力学等，探索不同脑区的功能，确定病变脑区的功能演变，对于脑疾病干预治疗策略和新药物探索具有重要意义。 “不过，目前市场上并没有高性能脑PET成像仪器。”杨永峰说，与美国脑计划项目正在资助研发的多个高性能脑PET成像仪器相比，SIAT bPET的空间分辨率和效率也处于先进水平。“高空间分辨率使得研究大脑的细微焦点脑功能区和小的核团成为可能，还可以通过降低部分容积效应来提高脑PET成像研究的定量精度；高效率除了通过提高脑PET图像的信噪来提高研究的定量精度，也为高精度研究神经递质活动和其他动态脑生化与功能活动奠定基础。” 2022年，团队成员邝忠华在国际核医学和分子影像年会与IEEE医学成像会议上口头报告了该研究成果，随即引起了广泛的国际关注。同时，该仪器也为开展基于PET功能成像的脑科学研究、老年性痴呆等疾病的早期定量诊断研究和新药开发提供了一台重要的新工具。 据悉，相关研究由基金委国家重大科研仪器研制、深圳市孔雀团队和中国科学院仪器研制团队等项目资助。 深圳先进院研制的SIAT bPET探测器系统和脑成像仪器照片SIAT bPET获得的Derenzo模体图、人脑FDG代谢图和兔子NaF骨扫描图SIAT bPET和联影uMR790 3T磁共振成像系统上同时获得的人脑PET/MRI图像关于PET：正电子发射断层扫描（PET）是一种核成像技术（也称为分子成像），可以显示体内代谢过程。PET成像的基础是该技术检测由正电子发射放射性核素（也称为放射性药物，放射性核素或放射性示踪剂）间接发射的γ射线对。将示踪剂注入生物活性分子的静脉中，通常是用于细胞能量的糖。PET系统灵敏的探测器捕获身体内部的伽马射线辐射，并使用软件绘制三角测量排放源，创建体内示踪剂浓度的三维计算机断层扫描图像。目前主要的PET系统制造商包括GE Healthcare，Philips Healthcare，Siemens Healthcare和Toshiba。PET/MRI系统的供应商包括GE，飞利浦和西门子。SPECT供应商包括通用电气，飞利浦，西门子和Digirad公司。

荧光显微成像技术对人们理解神经科学起了非常关键的作用。而最近一些年出现的各种超分辨显微成像技术和专门的荧光探针能够以超过以往普通光学显微镜的分辨率直接观察神经元亚细胞结构和蛋白质排列。并以直观可视方式揭示了神经细胞骨架组成、分布、运动和膜蛋白信号传导、突触下结构和功能，以及神经元−胶质细胞相互作用。同时超高分辨显微成像技术（Super Resolution,SR,下文中出现SR均指超高分辨率显微成像技术）对于许多自身免疫和神经退行性疾病模型中的分子靶点研究也提供了全新的强大工具。今年春，Werner等科学家在美国化学学会会刊（ACS)上最新发表了一篇综述，比较详实系统介绍了超高分辨率显微技术在神经科学上的最新应用进展。我们在此文基础上进行了编译整理。因文章较长，我们将分三期陆续介绍。本期介绍第一部分。1. 背景介绍成像技术是推动生命科学几乎所有学科基础研究的核心平台。在神经科学领域，近几十年来，共聚焦显微镜技术已成为分析神经组织的标准荧光成像技术。激光扫描共聚焦显微镜对固定的神经元样本进行观察，在扫描水平上提供了三维和多色图像并使单个细胞达到树突结构的分辨率。作为补充，电子显微镜（EM）用于获取神经元和亚区室超微结构的信息，并用于大脑的连通性分析。EM非常适合于神经元突触和囊泡、细胞器和膜构象的结构分析。然而，由于靶向特异性标记方法的局限性，基于EM的复杂样品中蛋白质和特定电子密度特征的识别受到限制。为了进一步理解神经元功能，包括双光子显微镜在内的几种活体视频显微镜应用的发展使神经元细胞培养的活细胞成像、器官型切片培养和动物模型的活体成像成为可能。同时，新的荧光染料、功能探针和荧光蛋白以及光遗传学方法和光驱动（如笼状化合物）不仅可以表征神经元，还可以操纵神经元及其从单分子水平到整个神经系统的相互作用。然而，荧光显微图像中可见细节的水平，即图像分辨率，仍然受到衍射极限的限制。一个多世纪以来，由λ/2NA定义的阿贝衍射极限（λ为波长，NA为显微镜物镜的数值孔径）决定了光学显微镜的分辨率极限，限制了两个位置小于200纳米的细节分辨。在过去的二十年中，超分辨显微镜（SRM）已经发展成为一种非常有效的亚细胞水平荧光成像和分辨细胞器结构的研究手段。SRM现在可以提供远低于常规光学显微镜衍射极限的空间分辨率，从而能够深入了解神经元细胞和组织中蛋白质的空间结构和相互作用。本文综述了超分辨显微镜和荧光标记方法及其在神经科学中的成功应用。我们将首先详细介绍各种SRM方法的基本原理、新的功能型荧光探针和标记技术。接着，我们将回顾SRM如何有助于我们理解神经元亚细胞结构和功能以及神经元−胶质细胞相互作用。此外，我们将概述超分辨率成像方法如何帮助研究自身免疫和神经退行性疾病的病理生理学。最后，我们将介绍这些新的成像方法是如何应用于神经精神疾病相关的人类样本的分析。由于该领域持续快速发展，我们最多只能代表一份中期报告。进一步的创新和新的显微镜方法的发展将使人们对神经系统功能有更详细的了解。 2. 神经科学中的超分辨率成像方法2.1. 光学衍射极限及其对神经科学的影响人类大脑包含超过800亿个神经元，每个神经元由数千个突触连接。因此，它构成了复杂神经元网络。这些网络的主要组成部分，例如突触神经末梢，显示的空间维度接近于光学衍射极限分辨率∼200 nm。释放递质的突触活性区（突触前细胞基质的特化区）的直径通常约为300±150 nm。突触小泡作为递质运输和释放的关键元件，其尺寸平均小10倍，直径为40−50nm。这些递质被释放到宽度为20-50nm的突触间隙中−再结合突触后受体。由于衍射极限的尺寸限制，胞吐机制和跨突触信号在传统的光学显微镜下基本上是无法观测到的，因此需要用提高10倍分辨率的方法进一步研究。（图1）。图1. 兴奋性突触结构组成。左图为兴奋性突触的油画示意图，右图为左图的灰度图像，其中浅紫色圆圈为衍射极限光斑；玫红色圆圈为兴奋性突触囊泡，约40-50nm；绿色为突触后膜AMPA受体，尺寸小于10nm；黄色部分为突触间隙，约20-30nm。 此外，大量参与突触信号传导的不同的分子，位于极小的突触内，造成很高的分子分布密度，这对微观研究具有挑战性。例如，对于较小的突触，兴奋性突触可以包含数百个小泡，对于大型苔藓纤维束突触，可以包含数千个小泡，每个小泡包含多达1万到10万个递质分子。在这些囊泡中，约有10±5个与释放部位对接，释放的递质平均与0−20 个NMDA受体和0−200个AMPA受体结合，而这些突触后受体又被320±130个突触后PSD-95密度蛋白分子环绕。由于加速电子的波长要短得多，因此EM是唯一能够解析突触纳米级结构的方法。然而，虽然传统的EM产生的电子密度图像具有极好的超微结构分辨率，但需要进行固定和靶向特异性标记的制样方法在很大程度上限制了蛋白质识别和神经元追踪。荧光显微镜可以很容易地对蛋白质进行选择性标记，但是受制于可见光的衍射（400−700 nm）使生成的图像无法实现对纳米结构的分析。 2.2.绕开光学衍射极限的光学显微镜方法 20世纪后期，人们开发了新的策略，通过利用物理或化学手段来区分不同荧光团的发射或减少同一时间荧光分子的数量，以尽量绕过衍射极限。减少荧光团的点扩散函数（PSF）的重叠可以通过生成光图案在集合级别以确定性方式进行，或者通过减少同一时间荧光团的数量在单分子水平上以随机方式进行。在下文中，我们将从确定性集合方法开始介绍，该方法将激光扫描共聚焦显微镜（CLSM）的有效空间分辨率推到理论极限。2.2.1. 确定性集合超高分辨率成像方法（Deterministic Ensemble SR-Imaging Methods） CLSM用针孔探测器阵列替换单点探测器，空间分辨率可以提高√2倍。CLSM测量每个扫描位置探测器每个点的荧光信号。在应用适当的算法后，生成分辨率提升的图像。这些所谓的像素重分配方法包括图像扫描显微镜（ISM）、重扫描共聚焦（RSC）、光学光子重分配（OPRA）、AiryScan和即时结构照明显微镜（iSIM）。对于信号检测，使用了诸如CCD相机、光电倍增管阵列、单光子雪崩二极管阵列和六角光纤束等探测器阵列。结构照明显微镜（SIM）在光路中插入光栅，产生与样品干涉的相干光束，生成横向和轴向方向不同的新照明图案。然后可以使用傅里叶变换提取这种新照明图案的信息，从而在所有三维空间中实现空间频率分解和分辨率倍增。SIM对样品制备的要求最低，并且可使用所有常规荧光探针，这些探针具有最低的光稳定性，并且可以很容易地扩展到多色成像。然而，当记录三维或长时间成像时，强烈建议使用光稳定性更高的荧光团。此外，SIM使用更低的激发强度，因此是活细胞SR实验的理想选择。为了获得更高的分辨率，引入了通过图案化饱和或荧光激发或图案化耗损光开关染料的非线性SIM（NL-SIM）。然而对染料开关特性的苛刻要求限制了NL-SIM在常规生命科学实验中的适用性。非线性SIM单位时间内还需要采集更多的图像，因此实际上仅限于2D成像。另一方面，掠入射（GI）-SIM显示了高达每秒266帧的快速超分辨率成像以及100nm分辨率，揭示前所未有的细胞器动力学细节。结构照明的局限性在于其对波长的普遍依赖性、与其他SR成像技术相比的低分辨率以及对系统稳定校准的需要。最后，后处理需要进行先验质量检查以避免伪影,例如由于高背景信号或不充分标记产生的低对比度图像导致的人工蜂窝图案。通过受激发射耗损(STED)显微镜进行超分辨率成像是一种实现更高空间分辨率的成像方法。这里，高斯分布的激发激光束被中空的甜甜圈样的耗损激光束覆盖，使扫描点外围的荧光团返回基态，这导致纳米级焦点区的直径与耗损光束的强度成反比，耗损光束的强度直接转换为STED显微镜的分辨能力：上图公式中λ为波长，n为折射率，α为物镜的收集角，ISTED为STED光束的照射强度，IS为饱和强度。因此，可以通过改变损耗激光强度来调整分辨率，可定制设计分辨率达30−80nm 的显微镜。STED显微成像可通过连续或脉冲激光激发、门控检测。带有脉冲激光的STED显微镜会降低激发能量，从而减少实时成像中的光毒性效应。STED显微镜中的时间门控检测可以去除荧光团光子到达时间前的空间信息，并且可以在较低的平均功率下工作。商品化STED能提供用户友好的高分辨率成像，无需进一步的数据后处理。活体成像，例如活体树突棘动态成像已经很成熟，但快速动态成像仅限于小帧尺寸，因为它仍然是点扫描方法，高激光强度可能会导致光损伤。STED通过应用自适应照明方式Dymin和rescue技术，可以明显减少光损伤。在Dymin STED中，在共聚焦模式下扫描时确定最低可能的STED光束强度。根据样品的标记密度，这将使STED光束强度降低20到100倍。Rescue STED同样通过减少STED激光开放的区域，从而比普通STED减少光漂白接近8倍。STED的另一个限制是对荧光团光稳定性的依赖，因为在高激光强度下会发生明显的光漂白。这影响了动力学的研究和三维图像的获取。值得注意的是，最近通过使用荧光团标记的寡核苷酸（瞬时结合到连接靶蛋白结合探针的互补寡核苷酸）或非结合荧光团来进行细胞STED成像，从而绕过了STED光漂白问题。这两种方法中，基于DNA互补标记的STED成像和超分辨率阴影成像SUSHI分别通过荧光团标记的寡核苷酸和高浓度的非结合和自由扩散的荧光团不断交换来防止光漂白。SUSHI的方法已经成功地用于活体脑片中细胞外间隙和神经肽的结构解析及其动力学的STED成像。如果使用具有毫秒或更长寿命的两种稳定状态的可逆切换荧光团来代替标准荧光团，则STED强度可以显著降低。可逆饱和切换光学线性荧光转换方法（RESOLFT）已通过可逆可切换荧光蛋白（reFPs）实现，并成功应用于活体海马脑片树突棘的超分辨率成像。2.2.2. 随机单分子SR成像方法（Stochastic Single-Molecule SR-Imaging Methods）上述的确定性方法是通过改变激发模式或相位掩膜来暂时控制荧光发射达到超分辨成像，而基于单分子的定位SR显微镜则是随机地在时间上分离单个荧光团的发射。单分子定位显微镜（SMLM）基于单个荧光团的随机激活，使用配备高灵敏相机（EMCCD或sCMOS）的宽场荧光显微镜进行单分子检测，以及精确的位置测定。通过将理想PSF与实际测量的光子分布拟合来进行分子定位。只要信号来自单个发射区，且单个发射区之间的距离大于显微镜能分辨的最小距离，则通过收集更多光子和最小化噪声，定位的标准误差可以任意小。激活和定位过程重复多次，所有定位最终用于重建超分辨率图像。为了确保在成像的任何时候，只有稀疏的小荧光团以其活性荧光形式存在（开启状态），使用了光开关、光转换、光激活或自发闪烁的荧光团。由于定位精度和最终图像分辨率取决于每次检测到的光子数量，通常采用明亮且稳定的荧光团与1 kW/cm2的辐照强度相结合的方式。根据所使用的荧光团不同，SMLM可达到10−50 nm横向分辨率。光激活荧光蛋白（FPs），自2006年以来已用于光激活定位显微镜（PALM），例如在405 nm的激光照射下可从关闭状态不可逆地转换为打开状态的PA-GFP和PA-mCherry 以及可通过适当波长的激光照射从一种波长状态不可逆地转移到另一种波长状态的光转换FPs，例如MEO。此外，还成功地应用了诸如Dronpa之类的光开关FPs，其在不同激发波长的激光照射下可在非荧光和荧光状态之间可逆地切换。对于活细胞应用，使用荧光蛋白的PALM是首选方法。因为在理想情况下，每个感兴趣的蛋白质都可以用荧光蛋白进行计量标记。然而，荧光蛋白比有机染料表现出更低的光稳定性和光子计数，从而降低了定位精度，并且通常需要更长的采集时间。此外，对于PALM成像而言，融合蛋白通常会过度表达，这可能会导致不真实图像，而用转基因变体替代显示野生型表达和功能的自身蛋白仍然具有挑战性。对于细胞内源性蛋白质的标记，通常使用有机染料的免疫标记。SMLM适用的有机染料必须是光开关、光激活或自发闪烁的，以实现单个染料发射的时间分离，但化学计量标记要困难得多。有机染料通常表现出较高的光子计数和光稳定性，从而使定位精度达到5−10nm。花菁染料Cy5和Alexa Fluor 647可以在荧光开启状态（其典型寿命为10 ms）和非荧光关闭状态（寿命为几秒，利用光开关缓冲液，缓冲液包括PBS，10−100mM硫醇，如ß-巯基乙缅（MEA），酶促氧清除剂，可以有/没有激活染料）之间可逆切换，为随机光学重建显微镜（STORM）和直接型STORM（dSTORM）的发展铺平了道路。近年来，应用于（d）STORM的染料已大大扩展，除了菁染料外，还包括罗丹明和恶嗪染料。有趣的是，最近的研究表明，即使是多个标记的抗体在光开关缓冲液中也呈现出类似于单发射的表现，因此适用于dSTORM实验。光活化染料的作用与光活化荧光蛋白相似。也就是说，它们在被光照射或自发激活之前处于非荧光状态。罗丹明衍生物PA-JF549和PA-JF646以及桥环菁染料Cy5B是已成功用于SMLM的光活化染料。此外，在没有光开关缓冲液的水溶液中，硅罗丹明HMSiR等自发闪烁染料也能应用于SMLM。最近，通过图案化照明方式实现更高的定位精度，单个荧光发射区的定位得到了改进。定位精度取决于信号的大小和强度，可以通过测量的PSF标准偏差的平方除以收集的光子数来估计。然而，包括拟合性能、标记密度、标记误差和显微镜漂移在内的其它参数决定了高定位精度是否可以转化为低于10 nm的空间分辨率。此外，到目前为止，因为SMLM方法成像需要昂贵的仪器和成像者具备广泛的专业知识，这在一定程度上阻碍了其广泛应用。2.2.3. SMLM-点累计纳米成像技术（PAINT，Point Accumulation for Imaging Nanoscale Topography）第一代SMLM技术依赖于荧光团的光开关和光激活，其分辨率需要有效地利用荧光团发出的光子数，而PAINT(point accumulation for imaging nanoscale topography)方法使用活的，与目标区域结构短瞬结合的染料。在成像过程中，被漂白的荧光团可以被成像介质中充足的新鲜荧光团不断置换替补。由于游离染料在采集单个图像帧期间在多个像素上快速扩散，因此它们仅显示为模糊背景且不能准确定位，而结合染料显示为PSF且能准确定位。因此PAINT的第一种方法是将荧光染料（如尼罗红）与细胞膜进行非特异性结合，然后进行光漂白和新的结合。此外，基于蛋白质片段的探针被用于单分子定位标记。在最近的一个研究中，将这种方法与传统的基于phalloidin的肌动蛋白标记方法进行了比较。通过引入通用PAINT（uPAINT）使Ni-Tris-NTA与转基因蛋白质上表达的His-Tags更特异结合，并可用于突触间隙成像。uPAINT也可以应用于其它标记方法，如免疫标记（内源性蛋白抗体、纳米抗体如绿色荧光蛋白）或受体配体结合。为了提高PAINT的适用性和特异性，引入DNA-PAINT方法。它使用长度小于10个核苷酸的短的可控的寡核苷酸链（成像链）瞬时标记其靶结合互补寡核苷酸链（对接链）。成像链与对接链的瞬时结合产生明显的闪烁。因此，荧光团开-关状态之间的切换与其光物理性质不直接关联。DNA-PAINT首先在DNA折纸（DNA-origami）上得到验证。DNA折纸是一种自组装的DNA结构（具有已知的大小），通过侧链和荧光团进行结合，并通过宽场显微镜观察。总的来说，DNA-PAINT是一种易于实现的SR成像标记方法，无需特定光物理特性的荧光团。因为探针可以在一轮结合后，从成像介质中置换补充荧光团，从而避免了光漂白。DNA-PAINT的缺点是图像获取时间长，这是由成像链与对接链的结合和解离速率决定的，以及荧光成像链的纳摩尔浓度引起的背景信号。尽管通过使用优化的DNA序列和缓冲条件，以及使用串联的周期性DNA结构域或通过短肽的卷曲螺旋相互作用（称为“Peptide-PAINT”），可以加快采集速度，但还是要利用全内反射荧光（TIRF）（仅限于对靠近盖玻片结构进行成像的特点），才能更好地减少成像链的背景信号。另一方面，基于DNA的探针提供了序列成像复用的明显优势，如Exchange PAINT中所述，已成功用于小鼠视网膜切片中多个结构的成像（图2）。Exchange PAINT的概念也被推广到dSTORM、STED、SIM和更传统的衍射限制的宽场和共聚焦荧光显微镜。最近，通过一种称为PRISM(probe-based imaging for sequential multiplexing)的基于DNA-PAINT的成像方法，实现了高达10个神经元蛋白质的分辨率约为20nm的多通道成像。该方法使用了低亲和力成像探针，该探针与突触、肌动蛋白和微管一抗上的对接链结合。图2 原代神经元中多个神经元靶点的多标Exchange-PAINT成像。（A）DNA-PAINT顺序成像的四种突触蛋白的超分辨图像：圆圈表示漂移校正的基准点；（B）为（A）中不带*的感兴趣区域的高放大倍率图和超分辨图像。（C）为（A）中带*的感兴趣区域的超分辨结果及单通道图像。2.2.4. 定量SMLM如果每个目标分子都可以单独标记和定位的话，与所有其他超分辨率成像技术相比，SMLM还可以提供有关分子分布和分子绝对数的单分子信息。然而，内源性蛋白质的定量免疫标记仍然是一个挑战，并且多标记抗体的不同定位数目也会使数据解释复杂化。另一方面，达到内源性表达水平比较困难，另外FPs蛋白成熟缓慢也同样会令定量化困难。然而，可以通过设计专门的对照实验估计拷贝数，并提取出有关生物目标结构分子的真实信息。借助合适的算法，SMLM可以提供有关拷贝数、聚类、共定位和复杂化学计量的数据，用于定量模型的生成和模拟。此外，还可以通过将突触结构信息与其功能关联来实现量化，例如膜片钳神经元的生物细胞素标记。例如，通过对链霉亲和素标记后膜片钳神经元进行STORM成像，结合CB1受体的免疫标记，然后在GABA能的海马轴突终端内定量，研究了内源性大麻素信号。本研究发现，与树突投射型中间神经元相比，胞周投射型中间神经元具有更高的CB1受体密度和更复杂的活动区。通过免疫标记和dSTORM研究了黑腹果蝇神经肌肉连接处内源性Bruchpilot（Brp）分子的数量。利用抗体滴定实验，确定了野生型神经肌肉连接处活性区细胞基质中Brp蛋白的数量为137个，其中四分之三以约15个七聚体簇状排列结合从相同组织样本记录的电生理数据，研究Brp如何组织控制活动区功能。利用DNA纳米结构作为校准，每个活性区Brp蛋白的数量估计通过定量DNA-PAINT（qPAINT）实验证实。此外，定量dSTORM实验表明，每个活性区Brp蛋白的数量和分布受突触标记蛋白-1的影响，这说明突触活性区递质释放的复杂性。在最近的一项研究中，使用Alexa Fluor 532和Alexa Fluor 647免疫标记的双色dSTORM已用于小鼠小脑平行纤维活性区中代谢型谷氨酸受体4（mGluR4）的定量研究（图3）。该研究还使用抗体滴定实验估计每个活性区平均包含约35个mGluR4分子，并排列在小纳米结构中。此外，mGluR4通常在munc-18-1和CaV2.1通道附近被发现，这支持了mGluR4与这些蛋白质相互作用以调节突触传递的观点。图3小鼠脑片中代谢型mGluR4受体定位定量双色dSTORM。上图：mGluR4和Bassoon免疫染色的小脑冠状切片的dSTORM图像，作为活性区参考。与宽场显微镜结果的比较。（A）DBSCAN聚类算法定义了近距离的En face活性区表面积（灰色）和mGluR4信号（品红）。（B）活性区大小的频率分布直方图（C）mGluR4信号到突触和突触外区域的映射。（D）通过Ripley H函数分析评估Bassoon和mGluR4的聚集分布。与随机分布的分子（蓝色、灰色）进行比较。虚线表示Ripley分析的最大值。这些研究显示了定量SMLM在神经科学研究中的潜力。可以预见，定量SMLM的进一步发展将为突触前和突触后蛋白质的功能关系，及其组织和结构的研究提供更有价值的信息。2.2.5. 组织三维（3D）SMLM虽然SMLM方法实现了仅几纳米的非常高的水平定位精度，但它需要特殊的方法来打破图像平面上方和下方PSF的对称性，来实现高轴向定位精度。实现高轴向定位精度的两种方法是PSF重塑和多焦面检测，通常用于在3D中精确定位荧光团。在SMLM中最常用的方法是通过在成像路径中插入单个柱面透镜从而不对称地扭曲PSF，利用光学像散原理来实现三维定位。基于像散方法的3D dSTORM技术还可以与光谱拆分相结合，对COS-7细胞中的网格蛋白表面小窝成像。像散引起的畸变程度由荧光团的轴向位置决定，因此可用于轴向位置计算。例如，3D散光SMLM已用于确定抑制性突触后密度区gephyrin蛋白和受体复合物的分布和拷贝数，或突触前活动区和突触后密度区各种成分的空间关系。采用双物镜像散成像方案，通过3D SMLM研究组织中肌动蛋白、血影蛋白和其他相关蛋白的结构，发现这些蛋白在轴突中形成190nm的周期性环状结构。替代方法包括使用相位掩模、变形镜实现双螺旋、四足或鞍点PSF重塑，和双焦面成像方法实现更大的轴向范围，并已成功应用于不同的应用中。为了在2D和3D中定位单个荧光发射区，已经开发了不同的算法和软件工具。在最近的一次综述中，列出了不同3D SMLM方法获得的水平和轴向分辨率，以供比较高30倍。此外，使用NHS染料对所有蛋白进行标记，然后进行迭代ExM，可以对高蛋白密度的结构或细胞器（如线粒体），实现与EM相比具有更高对比度的超微结构细节。为了在分子尺度上进行成像，ExM与SMLM方法（如dSTORM）相结合是一个理想的选择。然而在含有硫醇和盐的传统光转换缓冲液中，会发生荷电氢凝胶收缩。可通过使用低离子强度缓冲液或加入中性溶液使凝胶稳定以避免收缩。另一种策略是使用自发闪烁的荧光团（如HMSiR）在水中进行SMLM。通过Ex-dSTORM实现分子分辨率的关键是膨胀后标记，这增加了表位可及性，从而提高了标记效率并减少了标记错误。Ex-dSTORM超分辨成像已成功应用于原代细胞和神经元中微管和中心粒结构的解析。

近日，国家卫生健康委办公厅发布了国家检验医学中心设置标准。营养元素检测(质谱法)、激素和神经递质检测(质谱法)、遗传代谢病筛查(质谱法)、微生物快速鉴定(质谱法)被列入必备检验项目清单中。　　国家检验医学中心应依托检验学科特色突出的三级甲等综合医院，在全国检验医学领域处于引领地位，并具有较好的国际影响力。临床检验项目齐全，检验配套设施设备完善，人才梯队结构合理，有相对成熟合理的检验医学组织管理运行机制。始终坚持公益性，认真贯彻落实国家相关卫生健康政策，积极承担医学教育人才培养工作，组织全国检验医学协同网络开展相关临床、教学、科研、公共卫生服务等创新工作和技术指导，组织协调检验医学的国内外学术交流与合作，引领国家检验医学发展，推动检验医学走向国际，为临床疾病预防、诊断、治疗和学科发展提供坚实的检验医学支撑。国家检验医学中心应当满足以下基本条件：(一)检验医学科通过 ISO 15189 医学实验室认可。(二)检验医学科获得国家临床重点专科建设项目。(三)检验医学科为博士学位授权点。(四)以下与检验医学密切相关的临床科室中获得国家临床重点专科建设项目科室≥10 个，包括内分泌科、心血管内科、重症医学科、血液病科、急诊科、肾脏病科、风湿免疫科、呼吸内科、神经内科、消化内科、感染科、妇科、产科、儿科、肿瘤科、普通外科、器官移植科、皮肤科。(五)临床常规开展检验项目数≥800 项，年总检测工作量 2 ≥2500 万项次。(六)病原微生物实验室依法取得所开展病原微生物实验活动的相应资质。

成果名称 大脑多巴胺在体（in vivo）记录用电化学微电极研制 单位名称 北京大学 联系人 马靖 联系邮箱 mj@labpku.com 成果成熟度 □研发阶段 &radic 原理样机 □通过小试 □通过中试 □可以量产 成果简介： 多巴胺是中枢神经系统中一种重要的神经递质，其胞体主要分布在中脑黑质致密部和腹侧背盖区，轴突末梢主要分布在纹状体、伏隔核、海马等区域。多巴胺在调节运动、情绪、奖赏等生理功能中发挥着重要作用，其分泌异常是多种神经精神类疾病发生、发展的病因之一。因此，监测脑内多巴胺分泌水平具有十分重要的意义。目前，国内外研究人员主要采用Microdialysis法检测脑内多巴胺的平均水平，但这种方法的局限是无法实时地进行检测。 北京大学分子医学研究所周专课题组研发的在体碳纤微电极电化学监测技术可以灵敏、实时探测脑内多巴胺的分泌，这种方法需要研制在体检测多巴胺分泌的电化学微电极，并采用不同的动作电位编码进行电刺激，以研究在黑质-纹状体通路中刺激模式对分泌的调控作用。 2009年，周专教授申请的&ldquo 大脑多巴胺在体（in vivo）记录用电化学微电极研制&rdquo 项目得到了第一期&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金的支持。在基金的资助下，通过实验仪器与研制材料的购置，周专课题组开展了富有成效的工作，包括：（1）改进实验室原有的在体电极系统；（2）将该系统应用到具体的大脑多巴胺分泌检测中；（3）优化电极的制作，为更大规模的生产奠定基础。目前，该项目已经顺利结题，其研制的碳纤维电极直径仅7um，制作方便，对脑组织损伤较轻，并已经能够在动物实验中稳定检测多巴胺的异常分泌活动。 应用前景： 多巴胺在调节运动、情绪、奖赏等生理功能中发挥着重要作用，其分泌异常是多种神经精神类疾病发生、发展的病因之一。因此，实时监测脑内多巴胺分泌水平具有十分重要的意义。由于目前临床上没有较好的检测神经性精神疾病患者多巴胺分泌水平的方法，该技术进一步完善后，将在未来应用到临床辅助多巴胺检测和神经外科手术治疗中。

我国科学家研制的世界首台帕金森治疗仪2月28日在哈尔滨市通过了科技成果鉴定。这一成果标志着世界性医学难题帕金森病有了新的治疗方法，突破了国际上治疗帕金森病主要依赖药物和手术的局限，填补了国内外空白。 　　帕金森病是世界性医学难题，全球大约有400多万患者，中国已超过200万，且每年新增近10万。目前，药物治疗只能控制症状而不能治愈，且不能停止或改善疾病的发展，其日益突出的失效现象和不良反应引起了医学界的广泛关注。手术治疗主要有毁损术、脑深部电刺激术和组织细胞移植术，毁损术因其对脑神经的破坏不可逆，还会产生很多并发症，有的终身致残，现已不主张采用 脑深部电刺激术，即安装脑起搏器，因其需要在脑内植入异物而存在风险，且费用高昂，约12万-26万之间，有条件做手术的医院和患者十分有限，目前我国接受手术治疗的患者尚不足2000例 组织细胞移植术，利用立体定向技术向脑内移植能够产生多巴胺的神经细胞，如胎脑或神经干细胞，尚处于探索中。 　　奥博帕金森治疗仪项目已于2011年1月31日获得了国家医疗器械产品注册证。这一课题组负责人孙作东研究员是“脑细胞激活论”创立者，他经过多年的脑科学基础理论研究与临床实践，对帕金森病的治疗提出了新观点，即：激活多巴胺能神经元是治疗帕金森病的关键，并率领科研团队应用内源性神经递质调控技术，历时五年终于研制成功了奥博帕金森治疗仪。该仪器突破了国际上治疗帕金森病主要依赖药物和手术的局限，是治疗帕金森病的又一新方法，填补国内外空白。 　　据介绍，奥博帕金森治疗仪是黑龙江省“十一五”科技攻关项目，特别适用于轻、中度帕金森病，可明显改善因此所导致的震颤、僵直、运动迟缓等症状。仪器分医用型和家用型，家用型因其操作方便，治疗成本可控制在2万元以内，易被患者所接受。该项目已被黑龙江省政府列为“十二五”期间战略性新兴产业重大生物工程项目拟予以重点支持。奥博帕金森治疗仪为非介入治疗，安全有效，是独立的治疗手段之一，特别适用于轻、中度帕金森病，可明显改善因此所导致的震颤、僵直、运动迟缓等症状。仪器分医用型和家用型，家用型因其操作方便，治疗成本可控制在2万元以内，更易被患者所接受。