科学家通过同时测量活体动物的两个关键信号，揭示了对神经元功能的见解

九州大学的研究人员开发了一种创新技术，可以同时非侵入性地测量清醒动物神经元中的两个关键信号，即膜电压和细胞内钙水平。这种新方法提供了对神经元如何运作的更完整的理解，揭示了这两种信号对感觉刺激编码了不同的信息。该研究于2024年9月16日发表在《通讯生物学》上。

神经元是充当大脑基本构建块的细胞，通过电信号传递信息。当神经元受到刺激时，膜电压（神经元细胞膜上的电荷）的变化会触发神经元激活，导致膜电压的快速变化作为电信号沿神经元传播。膜电压的这些变化会导致细胞内钙（神经元内的钙水平）的变化

从历史上看，测量膜电压涉及使用电极的侵入性技术。作为一种非侵入性的替代方法，科学家们已经开发出使用对钙离子敏感的荧光蛋白作为传感器来测量钙活性的技术，为神经元活性提供了一种间接指标。然而，这些不同的方法意味着这两种信号几乎总是分开研究的，这使得理解它们如何实时相互作用以及识别它们在活体动物中的不同功能变得具有挑战性

现在，响应膜电压变化的荧光蛋白开发的新进展意味着钙离子传感器和膜电压传感器可以同时使用

九州大学科学院的资深作者石原武教授说：“同时测量细胞内钙离子和膜电压可以帮助我们了解神经元如何为神经元回路中的感觉处理编码信息。”

石原慎太郎和他的同事与九州工业大学计算机科学与系统工程系合作，开发了一种同时测量活体动物神经元细胞内钙和膜电压的方法。通过在显微镜下以每秒250帧的高速捕获图像并使用尖端的图像处理技术，研究人员能够检测到钙离子传感器和膜电压传感器的荧光强度的小而快速的波动

利用这项新开发的技术，科学家们专注于秀丽隐杆线虫（通常用作神经科学研究中的模型生物的微小线虫）的嗅觉神经元如何对气味物质做出反应

研究人员发现，当暴露在气味中时，这些神经元会改变其膜电压和细胞内钙水平。重要的是，研究小组首次发现这些信号编码了单独的信息。虽然膜电压表明存在气味，但细胞内钙水平反映了气味的浓度。通过同时测量这两个信号，研究人员能够更好地了解大脑如何处理和区分感官输入

此外，作者还确定了两个离子通道，这两个通道对于感觉刺激引发的膜电压变化至关重要。研究小组还发现，一种名为ODR-3的蛋白质参与神经元的信号传递，在稳定膜电压方面起着重要作用。这可以防止神经元对无关刺激做出不适当的反应，并调节对气味反应的时间和幅度

未来，在更复杂的动物或其他类型的神经元中，也可以同时测量膜电压和细胞内钙，这可能揭示神经元回路中信息编码的见解

石原慎太郎分享了他的结论性想法，他说：“这些高速同步测量揭示了感觉刺激诱导的膜电压和细胞内钙离子信号的不同功能。这些发现可能有助于更好地理解中枢神经系统的感觉处理，不仅在线虫等简单的模型系统中，而且在高等生物中也是如此。”