神經科學的主要目標之一是在概念上將復雜的神經現象與神經回路的結構和功能聯系起來。朝著這個目標邁出的重要一步是能夠同時記錄特定人群中大量神經元的功能，而不會破壞它們的連通性。傳統的電生理方法可提供出色的靈敏度和時間分辨率，但受到可同時記錄的細胞數量的限制。此外，將功能活動分配給特定單元非常困難，這限制了解析電路圖的能力?；?/span>熒光蛋白的用于神經元活動的遺傳編碼生物傳感器，包括遺傳編碼的Ca2 +指示劑（GECI），與現代體內成像技術相結合，克服了這些限制，并允許在體內進行高分辨率功能成像。但是現有的技術在體內成像時對比度有限。
有鑒于此，美國愛因斯坦醫學院的Vladislav V. Verkhusha等研究人員，開發出一種可用于體內成像的近紅外遺傳編碼鈣指示劑。與傳統的熒光生物傳感器不同，NIR指示器可以更深地穿透組織，使其成為功能性成像的強大工具。成果發表在Nature Biotechnology上。
主要設計
研究人員使用兩個單體近紅外（NIR）熒光蛋白（FP），即細菌性植物色素miRFP670和miRFP720，設計了一種基于NIR福斯特共振能量轉移（FRET）的遺傳編碼鈣指示劑（iGECI）。
圖|體外和HeLa細胞中iGECI的表征
可達400 μm深度
iGECI表現出高水平的亮度和光穩定性，并且對鈣的熒光響應增加高達600％。在分離的神經元中，iGECI可檢測自發性神經元活動以及電和光遺傳誘導的放電。研究人員使用單光子光片成像技術驗證了iGECI在急性腦切片中接近400 μm深度的性能。
同時監測神經元和血流
應用混合光聲和熒光顯微鏡，研究人員通過完整的顱骨同時監測了小鼠大腦中神經元和血流動力學的活動，分辨率約為3 μm（橫向）和25-50 μm（軸向）。使用雙光子成像，研究人員在小鼠視覺皮層中檢測到了誘導和自發的神經元活動，熒光變化高達25％。
圖|使用混合光聲和熒光顯微鏡對iGECI進行體內成像
使用雙光子顯微鏡對iGECI進行成像，可以有效地檢測了固定的清醒小鼠初級視覺皮層中視覺誘發的神經元活性的變化，以響應漂移的光柵視覺刺激，表明iGECI可靠地報告了體內的Ca2 +瞬變
圖|iGECI報告了體內視覺誘發和自發的神經元活動
小結
綜上所述，在測試的所有生物樣品和成像技術中，iGECI都具有足夠的亮度和良好的功能性能。這些結果表明，iGECI應該是整個生命科學界極為有用，容易且廣泛適用的工具。
參考文獻：
Anton A. Shemetov, et al. A near-infrared genetically encoded calcium indicator for in vivo imaging. Nature Biotechnology, 2020.
DOI：10.1038/s41587-020-0710-1
https://www.nature.com/articles/s41587-020-0710-1
