鈣是大多數細胞的關鍵信號分子，在神經元中尤其重要，對腦細胞中的鈣進行成像可以很好地揭示神經元如何相互溝通。然而，目前的成像技術只能穿透幾毫米的大腦，這顯然妨礙了人類對大腦的進一步了解。

因此，針對這一問題，麻省理工學院的研究人員近期發明了一種基于核磁共振成像技術的新方法，這種方法可以讓我們更深入地觀察大腦的磁共振活動。利用這項技術，我們可以追蹤活體動物神經元內部的信號傳遞過程，以此將神經活動與特定的行為聯系起來。

本文主要作者，麻省理工學院生物工程、大腦與認知科學、核科學與工程學教授，麻省理工學院麥戈文腦科研究所研究中心副成員 Alan Jasanoff 說：“這篇論文描述了首個基于磁共振成像檢測細胞內鈣信號的方法，它十分類似于在神經科學中廣泛使用的成熟的光學方法，只是現在可以在深層組織中進行這樣的檢測。”

進入細胞

在靜息狀態下，神經元的鈣含量非常低。然而，當它們發出電脈沖時，鈣就會涌入細胞。在過去的幾十年里，科學家們已經設計出用熒光分子標記鈣的方法來描繪這種活動。這可以在實驗室培養皿中培養的細胞中完成，也可以在活體動物的大腦中完成，但這種顯微成像技術只能滲透到組織中的幾十分之一毫米，大多數研究僅限于大腦表面。

“這些工具已經做了很多了不起的事情，但是我們希望能夠讓我們自己和其他人更深入地了解細胞水平的信號，”Jasanoff 說。

圖丨Alan Jasanoff（來源：MIT）

為了達到這個目的，麻省理工學院的研究小組使用了磁共振成像技術，這是一種非侵入性技術，通過檢測注入的造影劑和細胞內水分子之間的磁相互作用來實現。

一直以來，許多科學家都在致力于基于磁共振成像的鈣傳感器的研究，但主要的障礙是開發一種可以進入腦細胞的造影劑。去年，Jasanoff 的實驗室開發了一種可以測量細胞外鈣濃度的核磁共振傳感器，但這種傳感器是基于太大而無法進入細胞的納米顆粒。

為了制造新的細胞內鈣傳感器，研究人員使用了能夠穿過細胞膜的構件。這種造影劑含有錳，這是一種與磁場相互作用較弱的金屬，它與一種可以穿透細胞膜的有機化合物結合在一起。這種復合物還含有一種叫做螯合劑的鈣結合臂。

一旦進入細胞內，如果鈣水平低，鈣螯合劑就與錳原子弱結合，從而使錳免受核磁共振檢測。當鈣流入細胞時，螯合劑與鈣結合并釋放錳，這使得造影劑在 MRI 圖像中顯得更明亮。

“當神經元或神經膠質之類的腦細胞受到刺激時，它們的鈣濃度通常會增加十倍以上。而我們的傳感器可以檢測到這些變化。”Jasanoff 說。

精確的測量

在實驗中，研究人員對大鼠的紋狀體進行注射，這是大腦深處的一個區域，涉及規劃運動和學習新的行為。然后，他們用鉀離子刺激紋狀體神經元的電活動，并能夠測量這些細胞的鈣反應。

Jasanoff 希望利用這種技術來識別參與特定行為或動作的小型神經元群。由于這種方法直接測量細胞內的信號，它可以比傳統的功能性磁共振成像 (fMRI) 提供更精確的神經元活動的位置和時間信息。

“這可能有助于搞清楚大腦中不同結構是如何協同工作來處理刺激或協調行為的，”他說。

此外，這項技術可以用來對鈣成像，而經過進一步的修改，有朝一日，它還可以用于對大腦或其他依賴鈣的器官 (如心臟) 進行診斷性成像。