血清素是一種神經(jīng)化學物質(zhì)，在大腦控制我們的思想和感覺的方式中起著至關(guān)重要的作用。例如，許多抗抑郁藥被設(shè)計用來改變神經(jīng)元之間傳遞的血清素信號。在《細胞》雜志的一篇文章中，美國國立衛(wèi)生研究院資助的研究人員描述了他們?nèi)绾卫孟冗M的基因工程技術(shù)將細菌蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為一種新的研究工具，這種工具可以比現(xiàn)有方法更有效地監(jiān)測血清素的傳播。臨床前實驗(主要在小鼠中)表明，該傳感器可以檢測睡眠、恐懼和社交互動過程中大腦血清素水平的細微實時變化，并測試新型精神活性藥物的有效性。這項研究部分由美國國立衛(wèi)生研究院Brain研究通過高級創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)(BRAIN)計劃資助，旨在徹底改變我們在健康和疾病條件下對大腦的認識。
這項研究由加州大學戴維斯醫(yī)學院首席研究員田琳博士領(lǐng)導。目前的方法只能檢測血清素信號的廣泛變化。在這項研究中，研究人員將營養(yǎng)豐富的金星蠅誘捕器樣細菌蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為一種高度敏感的傳感器，當捕獲血清素時，它會發(fā)出熒光。此前，弗吉尼亞州阿什頓市霍華德休斯醫(yī)學研究所珍妮弗研究園(Jennifer Research Park)Loren L . Looger博士實驗室的科學家利用傳統(tǒng)的基因工程技術(shù)，將細菌蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿的傳感器。這種被稱為OpuBC的蛋白質(zhì)通常概述了營養(yǎng)膽堿，其形狀類似于乙酰膽堿。在這項研究中，田實驗室與羅格爾博士合作。
研究人員使用機器學習算法來幫助計算機“思考”大約25萬個新設(shè)計。經(jīng)過三輪測試，科學家們決定了其中一個。初步實驗表明，這種新型傳感器可以可靠地檢測大腦中不同水平的血清素，但對其他神經(jīng)遞質(zhì)或形狀相似的藥物幾乎沒有反應(yīng)。在小鼠腦切片上的實驗表明，傳感器對突觸通訊點神經(jīng)元發(fā)出的血清素信號有反應(yīng)。同時，在培養(yǎng)皿中的細胞上進行的實驗表明，該傳感器可以有效監(jiān)測由藥物引起的這些信號的變化，包括可卡因、MDMA(也稱為搖頭丸)和幾種常用的抗抑郁藥。
最后，在老鼠身上的實驗表明，這種傳感器可以幫助科學家研究血清素在更自然條件下的神經(jīng)傳遞。例如，研究人員已經(jīng)見證了清醒時血清素水平的預(yù)期增加和小鼠入睡時血清素水平的下降。當老鼠最終進入更深的快速眼動睡眠狀態(tài)時，他們還發(fā)現(xiàn)下降幅度更大。傳統(tǒng)的血清素監(jiān)測方法會忽略這些變化。此外，科學家還發(fā)現(xiàn)，當警鈴警告老鼠腳震顫時，兩個獨立的大腦恐懼回路中血清素的水平會有所不同。在一個回路-內(nèi)側(cè)前額葉皮層-貝爾觸發(fā)了血清素水平的快速增加，而在另一個回路-外側(cè)基底杏仁核-遞質(zhì)逐漸增加到較低水平。本著“大腦計劃”的精神，研究人員計劃向其他科學家提供傳感器。他們希望這將有助于研究人員更好地理解血清素在我們?nèi)粘Ｉ詈驮S多精神疾病中的關(guān)鍵作用。
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