CREB動力學的體內成像將感覺體驗與活動結合起來

我們的大腦有一種不尋常的適應能力。每天神經元的連接都在不斷變化，這取決于我們在日常生活中所經歷的事情。我們所制造的記憶，我們所學習的信息和我們所掌握的技能刺激了這一動態(tài)過程，導致了神經回路的持久變化。俗話說，經驗是最好的老師，但我們的大腦卻不是這樣。

除了學習和記憶，聽音樂或欣賞壯麗景色等感官體驗對大腦也有類似的影響。傳入的感覺信息會激活皮層的神經元，從而根據(jù)我們的經驗長時間改變電路。這一過程被稱為依賴經驗的可塑性，這是我們的大腦因獨特的個人生活經歷而發(fā)展不同的部分原因。

然而，我們的大腦是如何將相對短暫的神經元活動轉變?yōu)橛晌覀兊母泄袤w驗驅動的長期變化的呢？關鍵在于一種叫做活性依賴轉錄因子的特殊蛋白質。這些因子響應神經元的活動，激活細胞內的基因，有助于將快速進入的信號轉化為緩慢而持久的變化。盡管活性依賴轉錄對大腦發(fā)育和長期可塑性具有重要意義，但不可能直接監(jiān)測轉錄因子的活性。這主要是由于缺乏可用于研究完整活體大腦中神經元活動和轉錄因子激活之間相互作用的工具。

在最近發(fā)表在Neuron上的一項研究中，佛羅里達州馬克斯普朗克神經科學研究所(MPFI)Yasuda實驗室的科學家設計并開發(fā)了一種新的生物傳感器，可以同時研究感覺誘導的神經元活動和轉錄因子動力學。將雙光子鈣成像這一特殊技術與雙光子熒光壽命成像(2p film)相結合，科學家將首次具備以單細胞分辨率研究活腦中轉錄因子功能的獨特能力。

Yasuda Laboratory的研究員、第一作者Tal Laviv博士解釋說：“大腦中轉錄因子的活動不是靜態(tài)的，而是一個非常動態(tài)的過程，可能在感覺體驗后的幾個小時到幾天內發(fā)生?！奔?。“研究這些蛋白質的傳統(tǒng)方法包括在單一時刻冷凍腦組織。因此，雖然這些方法可以告訴你某個因子是否被激活，但它們并不擅長捕捉經驗如何隨著時間的推移改變轉錄因子的活性。我們想開發(fā)一種新的方法來研究這個過程實際上是如何在活的大腦中發(fā)生的，我們選擇研究CREB，是因為它在可塑性、學習和記憶方面的參與性很強?！?

MPFI科學家首先創(chuàng)造了一種靈敏而特異的2pFLIM生物傳感器，用來報告cAMP反應元件結合蛋白(簡稱“CREB”)的直接活性。研究小組使用腺相關病毒策略(AAV)包裝新產生的傳感器，然后在小鼠體感皮層的一組神經元中表達。眾所周知，環(huán)境變化會激活這個大腦區(qū)域，作為回應，內部神經元會調節(jié)包括CREB在內的許多信號分子。然而，人們對環(huán)境變化后CREB活化的時間動態(tài)知之甚少。研究小組使用2 m CREB傳感器長時間監(jiān)測同一神經元組中的CREB活動，同時小鼠經歷豐富的環(huán)境。豐富的環(huán)境使CREB的整體活動顯著增加。有趣的是，當小鼠長時間離開富集環(huán)境時，CREB活動恢復到正常水平，這表明感官體驗可以作為持續(xù)活動的驅動力。

接下來，MPFI科學家試圖揭示感覺體驗和神經元激活如何影響活體大腦的CREB活動。因此，研究團隊在小鼠的視覺皮層表達了CREB傳感器和神經元活動傳感器(鈣傳感器)。先前的研究表明，當小鼠暫時被剝奪視覺刺激，置于黑暗環(huán)境中時，視覺皮層神經元的可塑性增加。在這項新的研究中，視覺皮層的神經元在呈現(xiàn)視覺刺激的黑暗喂養(yǎng)小鼠中成像。鈣和CREB在單個細胞中的動力學被長時間同時成像。結果顯示了視覺皮層中CREB活動的動態(tài)調節(jié)：與在正常光/暗條件下飼養(yǎng)的小鼠相比，在暗條件下飼養(yǎng)的小鼠顯示出由視覺誘導的CREB水平的顯著增加。此外，在黑暗中飼養(yǎng)的小鼠中，CREB活動水平保持至少一天。有趣的是，CREB活動的增加并不是由于單個神經元中鈣水平的增加，這表明感覺經驗可以很好地調節(jié)活體大腦中活動相關轉錄的敏感性。

這種獨特的方法可以在未來廣泛應用于許多不同類型的轉錄因子，它將為揭示依賴于經驗可塑性的大腦轉錄動力學提供前所未有的機會。

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