我們的大腦對適應(yīng)性有著非同尋常的訣竅。每天，神經(jīng)元的連接不斷變化，這取決于我們在日常生活中所經(jīng)歷的事情。我們所做的記憶，所學(xué)的信息和所掌握的技能激發(fā)了這個動態(tài)過程，導(dǎo)致神經(jīng)回路的持久變化。俗話說，經(jīng)驗是最好的老師，這對我們的大腦而言并非如此。

除了學(xué)習(xí)和記憶外，諸如聽音樂或欣賞壯麗景色之類的感覺體驗對大腦也有類似的影響。傳入的感覺信息會激活皮層中的神經(jīng)元，從而根據(jù)我們的經(jīng)驗長期改變電路。這個過程稱為經(jīng)驗依賴可塑性，是我們的大腦由于獨特的個人生活經(jīng)歷而發(fā)育不同的原因的一部分。

但是，我們的大腦如何將相對較短的神經(jīng)元活動轉(zhuǎn)化為由我們的感官體驗驅(qū)動的長期變化?關(guān)鍵在于稱為活性依賴性轉(zhuǎn)錄因子的專門蛋白質(zhì)。響應(yīng)神經(jīng)元的活動，這些因子激活細胞內(nèi)的基因，有助于將快速進入的信號轉(zhuǎn)化為緩慢，持久的變化。盡管活動依賴的轉(zhuǎn)錄對大腦發(fā)育和長期可塑性具有重要意義，但無法直接監(jiān)測轉(zhuǎn)錄因子的活性。這主要是由于缺乏可用于研究在完整的活腦中發(fā)生的神經(jīng)元活動與轉(zhuǎn)錄因子激活之間的相互作用的工具。

在最近發(fā)表在Neuron上的一項研究中，佛羅里達州馬克斯普朗克神經(jīng)科學(xué)研究所(MPFI)Yasuda實驗室的科學(xué)家設(shè)計并開發(fā)了新型生物傳感器，該傳感器可同時研究感覺誘發(fā)的神經(jīng)元活性和轉(zhuǎn)錄因子動力學(xué)。將2光子鈣成像的專門技術(shù)與2光子熒光壽命成像(2pFLIM)結(jié)合起來，科學(xué)家將首次具有獨特的能力，能夠以單細胞分辨率研究轉(zhuǎn)錄因子在活腦中的功能。

大腦中的轉(zhuǎn)錄因子活性不是靜態(tài)的，而是非常動態(tài)的過程，可能會在感官體驗后的數(shù)小時到數(shù)天不等。研究這些蛋白質(zhì)的傳統(tǒng)方法涉及在單個時刻凍結(jié)腦組織。因此，盡管這些方法可以告訴您是否激活了某個因素，但它們并不善于捕捉經(jīng)驗如何隨著時間的流逝而改變轉(zhuǎn)錄因子的活性。我們想開發(fā)一種新的方法來研究這個過程在活著的大腦中實際上是如何發(fā)生的，并且由于它在可塑性，學(xué)習(xí)和記憶方面的強大參與，因此選擇研究CREB。”

安田實驗室研究員，論文的主要作者Tal Laviv博士

接下來，MPFI科學(xué)家試圖揭示感官體驗和神經(jīng)元激活如何影響活腦的CREB活動。為此，研究小組在小鼠的視覺皮層中表達了CREB傳感器和神經(jīng)元活動傳感器(鈣傳感器)。先前的研究表明，當小鼠暫時被剝奪視覺刺激并置于黑暗的環(huán)境中時，視覺皮層的神經(jīng)元可塑性增加。在這項新研究中，視覺皮層神經(jīng)元在呈現(xiàn)視覺刺激的黑暗飼養(yǎng)小鼠中成像。單個細胞中的鈣和CREB動態(tài)都同時進行了長時間成像。結(jié)果顯示了視覺皮層中CREB活性的動態(tài)調(diào)節(jié)：與正常光照/黑暗條件下飼養(yǎng)的小鼠相比，黑暗飼養(yǎng)的小鼠顯示出視覺誘發(fā)的CREB水平顯著增加。另外，在黑暗飼養(yǎng)的小鼠中，CREB活性水平維持了至少一天的時間。有趣的是，這種CREB活性的提高并不是由于單個神經(jīng)元內(nèi)鈣水平的升高，這表明感覺經(jīng)驗可以很好地調(diào)節(jié)活體大腦中與活性有關(guān)的轉(zhuǎn)錄的敏感性。MPFI科學(xué)家首先創(chuàng)建了靈敏且特異的2pFLIM生物傳感器，旨在報告cAMP應(yīng)答元件結(jié)合蛋白或簡稱“ CREB”的直接活性。研究小組使用腺相關(guān)病毒策略(AAV)包裝了新生成的傳感器，然后在小鼠體感皮層內(nèi)的一組神經(jīng)元中表達了它們。已知環(huán)境的變化會激活該大腦區(qū)域，并且作為響應(yīng)，內(nèi)部的神經(jīng)元會調(diào)節(jié)包括CREB在內(nèi)的眾多信號分子。但是，對于環(huán)境變化后CREB激活的時間動態(tài)知之甚少。該團隊使用2pFLIM CREB傳感器，在小鼠經(jīng)歷了豐富的環(huán)境的同時，長期監(jiān)測了同一神經(jīng)元群體中的CREB活性。豐富的環(huán)境導(dǎo)致CREB總體活動顯著增加。有趣的是，當將小鼠從富集環(huán)境中移出一段較長的時間后，CREB活性恢復(fù)到正常水平，表明感覺經(jīng)驗可作為持續(xù)活性的驅(qū)動力。

這種獨特的方法將來可以廣泛地應(yīng)用于許多不同類型的轉(zhuǎn)錄因子，并且將提供前所未有的機會來揭示大腦中依賴于經(jīng)驗的可塑性的轉(zhuǎn)錄動力學(xué)。