你的悲伤你的音乐荧光多巴胺探针能“看见”

多巴胺是一种重要的神经传导物质，用于帮助细胞传递脉冲。与帕金森病、吸毒成瘾、精神分裂症、多动症、创伤后应激综合征等多种神经系统疾病密切相关。

为了更好地研究多巴胺在生理和病理过程中的作用，研究人员需要有一种能够实时、灵敏、特异地监测多巴胺的“武器”。此前，北京大学生命科学学院李玉龙实验室开发了一系列用于监测神经递质的荧光探针，包括第一代多巴胺探针。

10月22日，李玉龙实验室与纽约大学和美国国立卫生研究院合作，在《自然方法学》杂志上在线发表论文，报道了新型红色荧光多巴胺探针和第二代绿色荧光多巴胺探针的开发和应用结果。

　　绿色荧光探针让细胞自己发光

多巴胺是大脑中含量最丰富的儿茶酚胺类神经递质，与运动控制、动机、学习、记忆、情绪等生理过程有关。它负责传递兴奋和快乐的信息，具有调节中枢神经系统的多种生理功能。

20世纪50年代，瑞典科学家阿维德卡尔松(arvid carlsson)证实了多巴胺作为大脑中信息传递者的作用，这使人们认识到，一旦人类多巴胺调节系统出现紊乱，就会经常出现帕金森病、精神分裂症、抽动秽语综合征、注意缺陷多动综合征、脑垂体肿瘤等。在此基础上，卡尔森研制出治疗这类疾病的药物，并获得2000年诺贝尔生理医学奖。

“如果科学家有一种工具可以高时空分辨率、高特异性、高灵敏度地感知多巴胺浓度的变化，将有助于研究多巴胺在生理和病理条件下的多种功能，跟踪多巴胺信号在活体模型生物和复杂行为模式中的动态变化。”李玉龙说。

传统的监测方法主要包括通过微透析和生化监测采集脑脊液，通过碳纤维电极记录。这些监测方法存在一些局限性，如缺乏足够的时间和空间分辨率，难以准确反映神经递质的真实动态信息；监测特定神经递质的特异性不够高；监测方法对生物体有害。因此，科学家们一直致力于优化现有方法或开发新方法，试图弥补不足，取得突破。

自2018年以来，李玉龙的实验室已经开发了一系列可以由基因编码的荧光探针，即GRAB探针，包括多巴胺探针。李玉龙说，最重要的一点是，他们的新方法“可以让细胞自己发光”。

此前，许多生物学家已经解决了如何将荧光蛋白放入细胞的问题。只要将编码基因的特定信息序列转移到细胞中，细胞本身就会通过“中心法则”将信息序列“翻译”成特定的蛋白质。这种可以被可见光激发产生红色或绿色荧光的蛋白质，会自动“行走”到细胞膜上，它还会对多巴胺敏感，即与神经递质结合后会发出荧光信号，从而报告信号位置。

“然后可以拍照，或者拍视频，哪里有光，哪里就有多巴胺释放。”李玉龙告诉《科技日报》记者，可以将原来不可见的神经递质的动态变化转化为直观、易于测量的荧光信号进行实时监测，创造性地克服了现有多巴胺监测方法时空分辨率低、分子特异性差等诸多问题，几乎不会对细胞造成损伤。

他们通过转染和病毒注射在细胞、小鼠脑片或活果蝇、斑马鱼和小鼠中表达探针，监测小鼠脑片电刺激引起的多巴胺释放，监测活果蝇、斑马鱼和小鼠脑中与嗅觉刺激、视觉刺激、学习记忆和交配行为相关的多巴胺信号变化。

升级版探针可以多色“合作”

在过去的两年里，李玉龙的团队对第一代探测器进行了改革和优化。“就像一个计算机芯片，从第一代到第二代，它的计算速度越来越快。多巴胺探针升级后变得更灵敏，无损伤或副作用更少。”李玉龙说。

第一代多巴胺探针的局限性在于，只能在多巴胺释放较多时才能监测，监测时间较长。但是，如果我们有更灵敏的探针，我们就可以更准确地监测多巴胺在一些精细动物行为中的动态变化，比如当我们受到奖励或惩罚时，或者当我们上瘾或生病时。对于新一代多巴胺探针，李玉龙等人系统研究了其在细胞、脑片、果蝇和小鼠中的表现，并通过一系列对照实验验证了探针信号的特异性。

新一代探头还提供了多样化监控的可能性。“探针是荧光蛋白和神经递质受体的组合。在第一代探针的基础上，我们在这两种蛋白质的界面上依次尝试了不同种类的重要氨基酸，并逐一监测了探针的特性；然后将优秀的氨基酸变化进行排列组合，达到“强联盟”，达到最佳的探针监测效果。”李玉龙说。此外，他们试图替换不同种类的荧光蛋白，并开发出不同荧光颜色的探针。

“我们的大脑中有许多复杂的化学信号，多巴胺只是其中之一。”李玉龙解释说，除了令人愉快的多巴胺之外，还有肾上腺素，它被认为可以控制压力感，或者血清素，它可以调节抑郁症。

因此，当一个对“快乐”敏感的多巴胺红色探针和一个对抑郁或压力敏感的绿色神经递质探针协同工作时，人们可以同时看到不同神经递质之间的关系，从而更好地理解大脑化学物质是如何协同变化的。

他们开发的新型红色荧光多巴胺探针可以与其他绿色荧光探针如钙离子探针和神经递质探针一起使用，实现多种信号的同时记录。此外，他们还优化了第二代绿色荧光多巴胺探针，具有更高的灵敏度和成像信噪比。

　体外实时探测多巴胺不是梦

人们在监测大脑中的化学物质之前使用化学方法，如通过试剂监测受体的化学反应；或者通过质谱来监测特定大小的分子。“化学试剂本身是有毒的；质谱必须首先电离这些分子，活细胞根本负担不起。”李玉龙说，这些监测方法不适用于活体动物。

使用新一代多巴胺探针，李玉龙的团队可以记录活体动物自由活动时大脑深处多巴胺的动态变化。与第一代探针相比，优化后的第二代绿色荧光探针荧光更亮，与神经递质结合后信号变化更显著。此外，在监测多巴胺时，新的红色荧光探针从单一绿色荧光扩展到多色荧光。因此，这两种新的探针可以更容易地与神经科学中的其他重要技术结合，如钙成像和光遗传学。新的探针也为筛选和优化与多巴胺受体相关的药物提供了新的可能性。

李玉龙告诉记者，他们已经开始开发新一代荧光探针，使红光更红。“因为在活体中，探头就像信号灯或导航灯，越红的光穿透力越强，信噪比越高，更容易监测。”现在，为了监测这些荧光信号，人们必须给动物增加一根光纤来监测多巴胺信息。

要观察动物大脑中“思考”的东西，更真实准确地了解其神经系统是如何工作的，就需要荧光探针有足够的亮度，甚至可以在自由活动的动物体外直接看到穿透力很强的红光。“这些理论上是可以实现的。”李玉龙说，这是他们努力的方向。