照亮黑暗大腦的一點光。
NEUREALITY
要問神經科學史上最需要什麼，大腦可能會說：要有光。
想想你看過的那些絢爛的神經元照片吧：通過熒光蛋白標記的神經元發出五顏六色的光，最終構成一幅大腦的彩虹。這就是所謂的brainbow技術，如今在它的幫助下，我們已經能夠清晰看到神經元是如何發育和連接的。讓神經細胞有這樣的成像效果，在以前簡直不可想象。
brainbow技術
—
圖片來源：Dr Jeff Lichtman, Harvard University
讓神經元發光
這一切還要從能夠自然發光的水母說起。在上世紀60年代，日本科學家下村修對水母中的發光蛋白很感興趣，併成功分離出了能發出藍色熒光的“水母素”（需要鈣離子參與）。不久後，他注意到了另一種可以在紫外線下發出綠色熒光的蛋白，即綠色熒光蛋白（以下簡稱GFP）。
然而，在很長一段時間裡，GFP一直默默無聞。一方面，當時提純GFP的代價太高，另一方面，科學界並不認為GFP本身就可以發出熒光。直到1994年，馬丁·查爾菲（Martin Chalfie）的線蟲研究登上《科學》雜誌的封面。查爾菲的研究組用GFP成功標記了線蟲的一部分神經元，用以追蹤神經系統的遷移和發育。他們的研究表明， GFP的熒光並不需要外源性底物和輔因子。
用GFP標記線蟲部分神經元的研究登上《科學》雜誌封面
—
至此，GFP的特性已經真相大白：在GFP的238個氨基酸中，有三個氨基酸形成了一種能夠發出熒光的結構。在查爾菲之後，綠色熒光蛋白終於開始被科學界廣泛使用。
但“調色盤”裡只有綠色這一種，未免有點可惜。對此，華裔科學家錢永健對GFP進行了系統改造，並最終開發了能夠發出紅色和青色等顏色的增強型熒光蛋白。2008年，下村修、查爾菲和錢永健因為對GFP的開創性工作，共同獲得諾貝爾化學獎。
在這些研究的基礎上，哈佛大學的傑夫·利希曼（Jeff W. Lichtman）等人繼續為調色盤添磚加瓦，2007年brainbow終於誕生。通過隨機組合熒光蛋白的三四種顏色的比率，這種技術可以產生數百種不同的色調，從而讓不同細胞表現出不同的顏色 。如今，神經科學家們藉助它研究小鼠、果蠅和斑馬魚等動物模型的神經系統，並試圖繪製出映射大腦連接的腦連接組。
光學腦成像的革命
在對熒光蛋白粗略瞭解一番後，讓我們將目光再放回一個世紀以前，當代神經科學的開端。
通過在光學顯微鏡下觀察染色的神經細胞，卡米洛·高爾基（Camillo Golgi）和聖地亞哥·拉蒙·卡哈爾（Santiago Ramóny Cajal）為我們揭開了神經系統結構的冰山一角，並由此獲得了1906年諾貝爾生理學或醫學獎。但兩人在當時可謂針鋒相對：網狀理論的支持者高爾基堅持認為，所有神經細胞都構成一個連續的網絡；“神經元學說”的支持者卡哈爾卻認為，神經細胞是離散的。事實證明，卡哈爾是對。1950年，電子顯微鏡的觀察表明，中樞神經系統中存在單個神經元，而神經元之間則有稱為“突觸”的間隙。
作為當代神經科學之父，卡哈爾為我們留下了大量極具洞見和美感的手繪神經元
—
圖片來源：Beautiful Brain:The Drawings of Santiago Ramony Cajal
自網狀理論偃旗息鼓後，神經科學也走上了一個新的研究尺度：不斷升級的光學腦成像技術，終於能讓我們更細緻地觀察大腦了。
光學腦成像，即通過光學方法對大腦結構或功能進行成像的技術。這種技術所需的圖像由熒光信號產生，除了熒光蛋白標記這樣的生物手段，化學標記（帶有熒光集團的有機物）也是常用的方法。此外，當代神經科學開發出的多種顯微鏡技術，例如熒光顯微鏡和共聚焦顯微鏡，都可以應用在光學腦成像中。
光學腦成像的主要優勢在於記錄範圍廣和時空分辨率高等，由於其高分子特異性和單分子敏感性而被廣泛使用。藉助這種技術，我們可以密切觀察活體大腦，展開基礎腦功能及疾病的臨床及動物研究，從而理解諸如決策、情感和記憶等大腦功能。
如今，神經科學已經成為最有前景的領域之一，從當下熱門的人工智能和腦機接口，到教育和醫療等，神經科學已表現出相當大的應用潛力。而在神經科學研究中，光學腦成像技術無疑是繞不開的重要工具。如果你想從事神經科學研究，或者想要開發新的技術手段，我們的長期合作伙伴ViaX鹽趣，3月將聯合斯坦福大學博士後研究員開展線上小班課-WORKSHOP，在一定程度上能幫你掌握所需的研究方法。
在導師的帶領下， 你將瞭解大腦光學成像的光學原理，以及光學原理的其他方面，使用工具軟件進行簡單的數據處理。課程結束後，還將獲得導師簽發的課程證明、實踐項目證明。申請時除了可以寫在CV裡，還能作為附加材料提交。
ViaX鹽趣線上小班課-WORKSHOP
光學腦成像
滑動查看更多信息
如果你想進一步提升學術能力，或者想要發表高水平論文，還可以考慮線上一對一科研項目。鹽趣將安排海外名校導師一對一授課，根據學生自身水平和需求來匹配最契合的導師，並量身定製研究方向和課題。學生可在不同等級的學術會議期刊上，以第一作者身份發表科研論文，豐富自己的學術經歷，顯性化個人學術水平，從而增強留學競爭力。
參考文獻
1.https://embryo.asu.edu/pages/green-fluorescent-protein
2.https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2009/cs/b917331p
3.Chalfie, M., Tu, Y., Euskirchen, G., Ward, W. W., & Prasher, D. C. (1994). Green fluorescent protein as a marker for gene expression. Science, 263(5148), 802-805.
https://www.semanticscholar.org/paper/Green-fluorescent-protein-as-a-marker-for-gene-Chalfie-Tu/e8b5c07fae8e094408383a6aafc529a054173bf4
4.Weissman, T. A., & Pan, Y. A. (2015). Brainbow: new resources and emerging biological applications for multicolor genetic labeling and analysis. Genetics, 199(2), 293-306.
5.Zhu, X., Xia, Y., Wang, X., Si, K., & Gong, W. (2017). Optical brain imaging: a powerful tool for neuroscience. Neuroscience bulletin, 33(1), 95-102.
6.Fishman, R. S. (2007). The nobel prize of 1906. Archives of ophthalmology, 125(5), 690-694.
7.Hillman, E. M. (2007). Optical brain imaging in vivo: techniques and applications from animal to man. Journal of biomedical optics, 12(5), 051402.
8.http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3415205&do=blog&id=1183324
神友們請注意了！
作為神經現實的長期合作伙伴，已經有不少同學通過我們的文章參與ViaX鹽趣的項目，並順利拿到推薦信或論文錄用函，這次，ViaX鹽趣為神友們
專門提供了原價499元，現完全免費的一對一科研規劃諮詢服務。有意向申請名校或想參與高含金量項目進行提升的神友們，可立即體驗ViaX鹽趣的專業服務。
即刻掃碼，體驗ViaX鹽趣的專業諮詢
閱讀更多 神經現實Neureality 的文章
關鍵字: 2019未來科學大獎 諾貝爾化學獎
