【科学美图】Brainbow：荧光点亮神经彩虹
时间:2015-08-28 16:33 来源:果壳网 作者:FranklinWhite 点击:次
上图中的景象不是黑夜中的奇幻梦境，也不是艺术家的创作，而是神经细胞交织成的网络，这些细胞来自一只小鼠的脑中的海马区域。 平时我们所到的大脑标本都是灰白暗淡的颜色，而这种名叫“Brainbow”的技术则显得格外惊艳，神经细胞们个个分明，闪耀着五彩光芒。
大脑是如何变成彩虹的？这要从荧光蛋白的故事开始说起。 绿色荧光蛋白：色彩的开端这些美丽的颜色都是荧光，当分子吸收能量达到激发态后，它们会在较短时间内再回到比较稳定的基态，并且通过发光的方式重新释放出能量，这个过程中产生的就是荧光。 一般的细胞中，原本没有那么多能发出各色荧光的物质，让它们发光，靠的是人为引入的荧光标记。而在这些荧光标记中，绿色荧光蛋白就是最为经典的一个。 绿色荧光蛋白是来自海洋的馈赠，它来自一种发光水母。在上世纪60年代，日裔科学家下村修（Osamu Shimomura，下村脩）和美国科学家约翰森（Frank H. Johnson）首先揭开了水母发光的秘密。一开始，他们从这些水母中提取到了水母发光蛋白（aequorin），在钙离子的作用下，这种蛋白质会发出蓝光。然而，在水母身上，人们最终观察到的却是绿色的荧光，将蓝光转化为绿光的，就是水母体内的另外一种蛋白质——绿色荧光蛋白。
更多的色彩在发现之初，生物学家们就意识到了这种发光蛋白的价值，如果能在其他的细胞、生物组织中引入这样的蛋白质，那么在显微镜下，我们所看到的画面也就能变得更加清晰而且多彩了。 上世纪80年代，普鲁切（Douglas Prasher）成功地克隆出了水母中编码绿色荧光蛋白的基因，这使得荧光蛋白标记的大量应用成为了可能。有了这段基因，我们就可以让特定的细胞表达这些荧光蛋白，或者把绿色荧光蛋白和各种分子结合在一起，为细胞中特定的结构染上颜色。 不过，天然的绿色荧光蛋白还不够完美，它只有一种颜色，也无法进行复杂的标记。解决这一问题的，是华裔科学家钱永健（Roger Y Tsien）。通过对绿色荧光蛋白分子的种种改造，他得到了现在实验中广泛使用的增强型绿色荧光蛋白，以及蓝色、青色和黄色的新型荧光蛋白。在此之后，其他的实验室又从珊瑚虫中发现了红色的荧光蛋白。随着不断的探索和改造，生物学家“荧光调色盘”中的色彩也逐渐丰富了起来。
把神经细胞变成彩虹有了荧光调色盘上的种种色彩之后，科学家们又是如何把神经细胞变成绚丽的彩虹的呢？这还需要基因编辑和重组技术来帮忙。 如果将不同荧光蛋白对应的基因片段转入细胞，让它们与目标蛋白共同表达，就可以对细胞以及细胞中的特定结构进行标记。但如果仅仅是这样做，我们一般得到只是单一的色彩，或者两三种颜色的图像。在很多情况下，这就已经够了，但要想把数量庞大、错综复杂的神经细胞彼此区分开，我们还需要更新的技术。
能做到这一点的技术出现在2007年，哈佛大学的神经生物学家杰夫W里奇曼（Jeff W. Lichtman）和他的团队做出了这项名叫“脑彩虹”（Brainbow）的革命性成果[1]。通过这种技术，他们能让小鼠的神经细胞显示出了几十种不同的色彩。 在这种技术中，研究者们用到了一种名叫“Cre重组酶”的酶，它可以识别特定的DNA序列，并把两个“识别标记”中间的序列删除。研究者们把几种颜色的荧光蛋白基因串在一起，并在他们之间加上了Cre重组酶可以识别的标志序列。最终，在酶的帮助下，这些基因在细胞内会被随机地“剪掉”一部分，而剩下的部分得以表达，这样一来，细胞就可以随机地表达出各种不同的颜色了。 通过添加荧光蛋白基因的种类，以及改变基因的拷贝数，科学家们还可以像使用调色盘一样，在细胞中混合出更多颜色。
在里奇曼的研究中，这些神经细胞的图像经过计算机分析，一共分辨出了89种不同的颜色，在下面的图像中，98.9%的细胞都展现出了不同的颜色。而到了后来，究极版的Brainbow已经能够产生多达166种可分辨的颜色。
这有什么用？如此大费周章地用荧光蛋白为细胞调色，它到底有什么用呢？这种技术最大的作用，还是将某些需要研究的细胞与错综复杂的背景区分开来。通过对不同色彩的分析，可以计数细胞，也可以追踪细胞的走向，观察神经网络的连接布局以及细胞之间的相互作用。当然，让大众领略神经科学之美，也不失为“神经彩虹”重要的宣传作用。 下面，就让我们一起来欣赏Brainbow的美丽成果吧。 视神经
这条五光十色的“长蛇”其实是小鼠的视神经，它连接着眼睛与大脑，负责传输视觉信号。 果蝇
除了小鼠之外，Brainbow在其他模式生物身上也同样行得通。在这张图中就展示了经过荧光标记的果蝇神经网络。 视网膜烟花
这个看起来像烟花一般的结构是小鼠的视网膜神经节细胞，它接收来自视网膜视锥细胞和视杆细胞的信号，并参与视觉信号的传递。 大脑之外
虽然是为研究神经细胞所设计，但Brainbow技术同样可以点亮其他类型的细胞。在这张图中，被染上色彩的是小鼠舌头的肌纤维。现在，这种荧光标记技术也进入了更加广阔的研究领域。 （编辑：窗敲雨） 题图：浦肯野神经元。来自：Tamily Weissman, Harvard University 参考资料：
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图片来自：Tamily Weissman, Harvard University
另一张展示了小脑结构的“神经彩虹”。
发出绿色荧光的水母。图片来自：shiro1000.jp
不同颜色的荧光蛋白。图片来自：Lei Wang et al
在培养皿上用细菌画出的彩色“荧光画”。在图中，这些细菌共表达了8种不同的荧光蛋白。图片来自：wikipedia
猪肾上皮细胞的有丝分裂，在这里用到了红色和绿色两种荧光标记。图片来自：microscopyu
利用荧光蛋白的种类和基因数量“调制”颜色。图片来自：Jean Livet et al
异彩纷呈的神经细胞。图片来自：
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图片来自：Stefanie Hampel et al
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图片来自：Karine Loulier, Institut de la Vision- 上一篇：探寻人脑“定位系统”，智能手机也来帮忙
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