麻省理工学院的工程师们开发了一种突破性的基于核磁共振成像的方法来检测大脑中的生物发光，从而能够精确成像大脑深层结构，并增强对大脑功能和基因表达的理解。(艺术家的概念。)来源:SciTechDaily.com
麻省理工学院开发的一种新型MRI技术允许对大脑深处的生物发光进行详细成像，为脑细胞如何发育和相互交流提供了新的见解。
科学家经常用发光的蛋白质标记细胞，使他们能够跟踪肿瘤的生长，或测量细胞分化过程中基因表达的变化。
虽然这项技术在细胞和身体的一些组织中工作得很好，但很难将这项技术应用于大脑深处的图像结构，因为光在被检测到之前会散射太多。
麻省理工学院的工程师们现在想出了一种新颖的方法来探测这种被称为大脑生物发光的光:他们设计了一种大脑血管，使其表达一种蛋白质，使它们在光的存在下扩张。然后可以用磁共振成像(MRI)观察到这种扩张，使研究人员能够精确定位光源。
“我们在神经科学以及其他领域面临的一个众所周知的问题是，在深层组织中使用光学工具非常困难。“我们研究的核心目标之一是找到一种方法，以相当高的分辨率对深层组织中的生物发光分子进行成像，”麻省理工学院生物工程、脑与认知科学以及核科学与工程教授艾伦·亚萨诺夫说。
这项由Jasanoff和他的同事开发的新技术可以使研究人员比以前更详细地探索大脑的内部运作。
Jasanoff也是麻省理工学院麦戈文脑研究所的副研究员，是这项研究的资深作者，该研究发表在今天(5月10日)的《自然生物医学工程》杂志上。前麻省理工学院博士后Robert Ohlendorf和Nan Li是这篇论文的主要作者。
磁共振成像(MRI)是一种检测大脑生物发光的新方法。这项由麻省理工学院开发的技术可以使研究人员比以前更详细地探索大脑的内部运作。图为血管在被赋予光敏性的基因转导后呈现鲜红色。图片来源:研究人员提供
探测光
生物发光蛋白存在于许多生物体中，包括水母和萤火虫。科学家们用这些蛋白质来标记特定的蛋白质或细胞，这些蛋白质或细胞的发光可以通过光度计检测到。其中一种经常用于此目的的蛋白质是荧光素酶，它有多种形式，发出不同的颜色。
Jasanoff的实验室专门开发利用核磁共振成像成像大脑的新方法，他们想找到一种方法来检测大脑深处的荧光素酶。为了实现这一目标，他们想出了一种将大脑血管转化为光探测器的方法。一种流行的核磁共振成像技术是通过对大脑血流的变化进行成像来工作的，因此研究人员设计了血管本身，使其通过扩张来对光线做出反应。
“血管是功能性核磁共振成像和其他非侵入性成像技术成像对比的主要来源，所以我们认为我们可以通过将血管本身光敏化，将这些技术固有的血管成像能力转化为成像光的手段，”Jasanoff说。
为了使血管对光敏感，研究人员设计了一种叫做Beggiatoa光激活腺苷酸环化酶(bPAC)的细菌蛋白质。当暴露在光线下时，这种酶会产生一种叫做cAMP的分子，这种分子会导致血管扩张。当血管扩张时，它会改变氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的平衡，这两种血红蛋白具有不同的磁性。这种磁性的变化可以通过核磁共振成像检测到。
BPAC对波长较短的蓝光有专门的反应，因此它可以检测近距离内产生的光。研究人员使用病毒载体将bPAC基因特异性地传递到构成血管的平滑肌细胞中。当将这种载体注射到老鼠体内时，大脑中大片区域的血管变得对光敏感。
“血管在大脑中形成了一个非常密集的网络。大脑中的每个细胞都在血管的几十微米范围内，”Jasanoff说。“我喜欢描述我们的方法的方式是，我们基本上把大脑的脉管系统变成了一个三维相机。”
一旦血管对光敏感，研究人员就会植入经过改造的细胞，如果有一种叫做CZT的底物存在，这些细胞就会表达荧光素酶。在老鼠身上，研究人员能够通过核磁共振成像检测到荧光素酶，发现血管扩张。
追踪大脑的变化
研究人员随后测试了他们的技术是否可以检测到大脑自身细胞产生的光，如果这些细胞被改造成表达荧光素酶的话。他们将一种称为GLuc的荧光素酶基因传递给大脑深部纹状体的细胞。当将CZT底物注射到动物体内时，核磁共振成像显示出光发出的部位。
Jasanoff说，这项技术被研究人员称为利用血液动力学的生物发光成像，或称腮红，可以用多种方式帮助科学家更多地了解大脑。
首先，它可以通过将荧光素酶的表达与特定基因联系起来，来绘制基因表达的变化。这可以帮助研究人员观察基因表达在胚胎发育和细胞分化过程中是如何变化的，或者当新的记忆形成时。荧光素酶还可用于绘制细胞间的解剖联系，或揭示细胞间如何相互沟通。
研究人员现在计划探索其中的一些应用，并将该技术应用于小鼠和其他动物模型。
参考文献:Robert Ohlendorf, Nan Li, Valerie Doan Phi Van, Miriam Schwalm, Yuting Ke, Miranda Dawson, Ying Jiang, Sayani Das, Brenna Stallings, Wen Ting Zheng和Alan Jasanoff, 2024年5月10日《自然生物医学工程》DOI: 10.1038 / s41551 - 024 - 01210 - w
该研究由美国国立卫生研究院、G. Harold和Leila Y. Mathers基金会、Lore McGovern、Gardner Hendrie、Brendan Fikes、德国研究基金会的奖学金、欧盟的Marie Sklodowska-Curie奖学金、以及麦戈文脑研究所的Y. Eva Tan奖学金和J. Douglas Tan奖学金资助。
