人類的大腦擁有約900億個神經元，神經元之間通過突觸相互連接形成了復雜的神經網絡，并由此產生各種復雜的功能。大腦能夠合成和釋放上百種神經遞質，神經信號通過突觸釋放的神經遞質從而在神經元之間進行傳遞。
 

大腦中神經元以復雜的通路投射到多個腦區(qū)，產生了學習認知、成癮、情感、控制、動機、獎勵等豐富的功能。光纖記錄系統(tǒng)則可以通過檢測鈣離子和神經遞質的熒光變化程度來表征群體神經元的活動情況。由于光纖記錄實驗操作較為簡便，目前在神經科學研究中應用越發(fā)廣泛。

本文將帶領大家了解一些光纖記錄的實驗應用場景，幫助各位更好地了解光纖記錄在神經系統(tǒng)疾病中的應用，以及分享光纖記錄如何助力研究新發(fā)現。

1. 抑郁——a片類藥物戒斷產生抑郁行為的分子環(huán)路機制^[1]
抑郁是藥物戒斷產生的厭惡情緒中最為常見的一種，有研究發(fā)現k-a片類受體(KORs)參與a片類藥物戒斷誘發(fā)的抑郁樣行為，并且該行為與伏隔核(NAc)中多巴胺(DA)釋放減少有關。然而，KORs調節(jié)這種與a片類藥物戒斷相關的厭惡情緒的分子機制和神經元回路目前尚不清楚。

Zan等人在mafei戒斷誘導的抑郁小鼠模型中，利用光纖記錄、膜片鉗、化學遺傳學和免疫組化等方法，揭示了mafei戒斷通過增加杏仁核中KOR配體dynorphin的表達來激活KORs，進而激活p38 MAPK并促進GLT1表達。GLT1的表達上調降低了杏仁核向NAc的谷氨酸輸入，從而促進mafei藥物戒斷誘導的抑郁樣行為。

該研究中，Zan等人使用光纖記錄方法檢測mafei戒斷小鼠BLA-NAc神經元投射的活性，發(fā)現mafei戒斷后懸尾測試小鼠的信號迅速下降，表明mafei戒斷降低杏仁核到NAc的興奮性突觸傳遞。

mafei戒斷降低杏仁核到NAc的興奮性突觸傳遞
 

2．記憶——下丘腦環(huán)路調控海馬神經發(fā)生促進記憶提取并對抗焦慮樣行為^[2]
成年海馬神經發(fā)生在記憶和情緒處理中起重要作用，海馬新生神經元在DG中產生、成熟并整合到現有環(huán)路中，并且這個過程由神經環(huán)路的活動進行動態(tài)調節(jié)。然而，目前尚不清楚神經環(huán)路修飾的海馬新生神經元對動物行為記憶的影響。

Li等人聚焦于SuM-DG環(huán)路修飾的ABN（成年新生神經元）發(fā)育的不同階段，通過光纖記錄、光遺傳、化學遺傳、膜片鉗和譜系示蹤等方法，揭示了SuM-DG環(huán)路修飾成年海馬新生神經元，促進記憶提取和對抗焦慮。

在該研究中，Li等人使用光纖記錄方法檢測SuM-DG神經元投射的活性，結果發(fā)現在豐富環(huán)境（EE）中，小鼠SuM神經元活性顯著增加，并且SuM消融后，EE誘導的神經反應和ABN介導的行為改善被消除，提示SuM-DG環(huán)路修飾的ABN能夠調控記憶行為。
 

小鼠SuM-DG神經元在EE中活性增高

3. 精神障礙——mPFC-Notch1信號通過Hes1抑制GABA_B1受體表達介導METH誘導的精神障礙^[3]
甲基benbingan(METH，冰du)是一種被廣泛濫用的興奮劑藥物，大劑量或長期使用METH會誘發(fā)精神障礙(MIP)，目前人們對其發(fā)病機制還知之甚少，雖然Notch1信號通路已被證明在一些精神疾病的發(fā)病機制中發(fā)揮作用，但其在MIP中的作用仍不清楚。

Ni等人在METH小鼠模型，使用光纖記錄、免疫組化、WB、PCR以及行為學等方法，揭示了一個之前未被識別的Notch1-Hes1-GABA_B1受體依賴機制，該機制涉及MIP中mPFC神經元活動和行為表型的調節(jié)，提出了Notch1信號傳導與MIP相關的神經可塑性之間的重要關聯。

在該研究中，Ni等人為了驗證在METH誘導的運動缺陷中mPFC神經元活性是否與Notch1信號有關，通過shRNA下調了mPFC神經元NICD表達水平，并使用光纖記錄技術同步記錄mPFC神經元的鈣信號：結果顯示第1天急性METH給藥后鈣信號顯著下降，而在第23天給藥后其鈣信號顯著下降后短時間內又恢復正常，同時與給藥前信號相比顯著降低。而當給予生理鹽水，急性期及激發(fā)期不同組信號均未見明顯變化，表明mPFC中NICD的下調可以減弱致敏小鼠的神經元活性。
 

mPFC中NICD的下調可以減弱致敏小鼠的神經元活性

4.疼痛——VPMntng1- S1B通路介導鎮(zhèn)痛新機制^[4]
當身體的某個部位在受到傷害感到疼痛時，我們會本能地對它進行揉搓或按摩，以此減輕疼痛程度，這種現象被稱為觸摸介導的鎮(zhèn)痛。對于觸摸介導的鎮(zhèn)痛機制，振動觸覺信息主要由初級軀體感覺皮層（somatosensory cortex, S1）處理，但S1在痛覺中的確切作用仍有爭議。相對而言，對于S1是否以及如何處理面部的痛覺信息目前仍然知之甚少。

Lu等人建立了一個觸摸介導的痛覺抑制的行為模型，使用了光纖記錄、化學遺傳學、在體鈣成像、免疫組化以及行為學評估等實驗技術，觀察到小鼠胡須拂動產生觸覺信號能夠顯著緩解面部疼痛，而阻斷這一觸覺信號傳遞所依賴的丘腦到桶狀皮層（barrel cortex, S1B）環(huán)路，則導致該疼痛緩解作用消失。通過對S1B神經元的鈣信號進行分析，作者發(fā)現胡須拂動改變了S1B神經元對痛覺信號的處理，并推動由傷害性刺激引起的神經狀態(tài)向非傷害性的行為結果過渡。該研究表明，S1B整合了面部觸覺和痛覺信號，實現了觸摸介導的鎮(zhèn)痛。

在該研究中，Lu等人為了檢測胡須拂動產生觸覺信號是否需要依賴丘腦腹后內側核（VPM）中表達Ntng1的神經元（VPM^Ntng1），利用光纖記錄技術觀察到VPM^Ntng1神經元對非傷害性的吹氣刺激的反應比對傷害性的熱或機械刺激的反應要更為強烈，這與VPM主要傳遞觸摸信號的作用相一致，表明胡須拂動產生的觸覺信號確實可以緩解面部疼痛。

VPMNtng1神經元主要向S1B傳遞觸覺信號，而非傷害性信號

上述研究中，研究人員們都采用了瑞沃德公司生產的光纖記錄系統(tǒng)，為實驗的順利開展提供了助力。迄今，瑞沃德光纖記錄系統(tǒng)已助力國內外100+高校的科研工作開展，如北京大學，浙江大學，斯坦福大學，倫敦大學學院等，并促成各大課題組研究成果在Nature Neuroscience等頂/級學術期刊發(fā)表。
 

• 9通道，6種激發(fā)光組合模式

• 高靈敏探測器，穩(wěn)定采集不掉幀

• 超過20種事件標記，靈活定義實驗需求

• 集成熒光記錄和行為視頻記錄

• 記錄分析一鍵切換，輕松得到處理結果

【參考文獻】

1. Zan Gui-Ying, Wang Yu-Jun, Li Xue-Ping et al. Amygdalar κ-opioid receptor-dependent upregulating glutamate transporter 1 mediates depressive-like behaviors of opioid abstinence.[J] .Cell Rep, 2021, 37: 109913.

2. Li Ya-Dong, Luo Yan-Jia, Chen Ze-Ka et al. Hypothalamic modulation of adult hippocampal neurogenesis in mice confers activity-dependent regulation of memory and anxiety-like behavior.[J] .Nat Neurosci, 2022, 25: 630-645.

3. Ni Tong, Zhu Li, Wang Shuai et al. Medial prefrontal cortex Notch1 signalling mediates methamphetamine-induced psychosis via Hes1-dependent suppression of GABA receptor expression.[J] .Mol Psychiatry, 2022, 27: 4009-4022.

4. Lu Jinghao, Chen Bin, Levy Manuel et al. Somatosensory cortical signature of facial nociception and vibrotactile touch-induced analgesia.[J] .Sci Adv, 2022, 8: eabn6530.