麻省理工学院 为了可视化神经元内的细胞信号，研究人员在细胞内分散成簇(绿色)的报告
然后，他们识别出每个聚类所代表的信号(多种颜色)
信用:C
美国令狐
Johnson等人
/Cell 2020 在一个细胞中，成千上万的分子，如蛋白质、离子和其他信号分子，共同发挥各种功能——吸收营养、储存记忆、分化成特定的组织等
破译这些分子及其相互作用是一项艰巨的任务
在过去的20年里，科学家已经开发出荧光报告仪，他们可以用它来读出细胞内单个分子的动态
然而，通常一次只能观察到一个或两个这样的信号，因为显微镜不能区分许多荧光颜色
麻省理工学院的研究人员现在已经开发了一种方法，通过测量细胞中随机、不同位置的每个信号，一次可以成像多达五种不同的分子类型
这种方法可以让科学家更多地了解控制大多数细胞功能的复杂信号网络
伊娃·谭，麻省理工学院神经技术教授、生物工程、媒体艺术与科学、大脑与认知科学教授
“基因组编码了成千上万个分子，它们以我们不理解的方式相互作用
“只有同时观察他们，我们才能理解他们之间的关系，”博伊登说，他也是麻省理工学院麦戈文大脑研究所和科赫癌症综合研究所的成员
研究人员说，在一项新的研究中，博伊登和他的同事使用这种技术来识别对钙信号有不同反应的两组神经元，这可能会影响它们如何编码长期记忆
博伊登是这项研究的资深作者，这项研究发表在今天的《细胞》杂志上
该论文的主要作者是麻省理工学院博士后令狐长阳和研究生香农·约翰逊
荧光簇 为了使分子活动在细胞内可见，科学家通常通过将感知目标分子的蛋白质融合到发光的蛋白质上来创建报告子
“这类似于烟雾探测器感应到烟雾后发出闪光，”约翰逊说，他也是阳潭分子治疗中心的成员
最常用的发光蛋白是绿色荧光蛋白，它是基于一种最初在荧光水母中发现的分子
博伊登说:“通常一个生物学家可以在显微镜上同时看到一种或两种颜色，外面的许多记者都是绿色的，因为他们是基于绿色荧光蛋白。”
“到目前为止，我们所缺乏的是同时看到多个这种信号的能力
" 令狐说:“就像从管弦乐队中聆听单一乐器的声音远远不足以完全欣赏一首交响乐一样，通过同时观察多个细胞信号，我们的技术将帮助我们理解细胞活动的‘交响乐’
" 为了增加他们能看到的信号数量，研究人员开始通过位置而不是颜色来识别信号
他们修改了现有的报告程序，使它们在一个细胞的不同位置聚集成簇
他们通过向每个报道分子添加两个小肽来做到这一点，这有助于报道分子在细胞内形成不同的簇
约翰逊说:“这就像记者X被拴在一块乐高积木上，而记者Z被拴在一块K'NEX积木上——只有乐高积木会与其他乐高积木咬合，导致只有记者X与更多的记者X聚集在一起。”
利用这种技术，每个细胞最终都会有数百簇荧光报告子
在显微镜下测量每个簇的活性后，基于荧光的变化，研究人员可以通过保存细胞并对每个报告分子特有的肽标签进行染色来识别每个簇中正在测量的分子
肽标签在活细胞中是不可见的，但是在活体成像完成后可以被染色和看到
这使得研究人员能够区分不同分子的信号，即使它们在活细胞中发出相同的荧光
使用这种方法，研究人员表明他们可以在一个细胞中看到五种不同的分子信号
为了证明这一策略的潜在有用性，他们平行测量了三种分子的活性——钙、环腺苷酸和蛋白激酶A
这些分子形成一个信号网络，涉及全身许多不同的细胞功能
在神经元中，它在将短期输入(来自上游神经元)转化为长期变化(如加强神经元之间的联系)方面发挥着重要作用，这是学习和形成新记忆所必需的过程
将这种成像技术应用于海马体的锥体神经元，研究人员发现了两种具有不同钙信号动力学的新亚群
一个群体表现出缓慢的钙反应
在另一个群体中，神经元有更快的钙反应
后者有较大的PKA反应
研究人员认为，这种增强的反应可能有助于维持神经元的长期变化
成像信号网络 研究人员现在计划在活体动物身上尝试这种方法，这样他们就可以研究信号网络活动与行为的关系，并将其扩展到其他类型的细胞，如免疫细胞
这项技术也可用于比较健康和患病组织细胞间的信号网络模式
在这篇论文中，研究人员展示了他们可以同时记录五种不同的分子信号，并且通过修改他们现有的策略，他们相信他们可以记录多达16种
他们说，通过额外的工作，这个数字可能会达到数百人
博伊登说:“这可能真的有助于解开一些关于细胞各部分如何协同工作的难题。”
“人们可能会想象一个时代，在这个时代，我们可以观察活细胞中发生的一切，或者至少是与学习、疾病或疾病治疗有关的部分
"
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