熊熊冷知識

從上一篇中，我們了解到鈣離子影像的原理。今天我們來聊聊科學家是如何利用這個技術搭配其他科技作出研究上的突破吧！

 

圖一：以頭戴式迷你顯微鏡觀察位置細胞的示意圖。其中可以發現A和D細胞在小鼠經過A區域時產生螢光訊號。

 

頭戴式迷你顯微鏡(a miniature integrated fluorescence microscope)-輪班的位置細胞

 

我當初接觸到這個技術時，最讓我大開眼界的文章就是頭戴式小顯微鏡在自由活動的小鼠上的應用。鈣離子影像最早是用在體外的細胞樣本。之後應用在動物身上時，多半也需要固定動物在巨大的顯微鏡下方才能看到漂亮的影像。雖然被固定在顯微鏡下方的小鼠也能跑球、喝水、也能用虛擬實境讓小鼠以為自己在空間中移動，但相對於能自由活動的小鼠還是有許多限制。而Mark Schnitzer組發展出僅有1.9克重的小顯微鏡(a miniature integrated fluorescence microscope)[1]，這個乘載重量在小鼠的負擔範圍內，讓小鼠即使戴著顯微鏡仍然能以接近自然形態的方式活動。

 

這個技術最大的突破是在自由活動的小鼠上同時觀測五百到一千顆神經細胞45天[2]。用電極量測細胞時，一來不容易確認不同時間點量到的是否仍為同一個細胞。其次，即使從電極位置和波形推斷為同細胞，能夠持續量測一個細胞維持一週兩週以上並不容易，更別提一個半月。

這些優勢，讓作者Yaniv Ziv等人發現位置細胞其實是會輪班執勤的[2]。位置細胞(place cells)是一群只在小鼠在特定空間時產生訊號的細胞。不同的細胞有它自己職守的位置(場域，place field)，當小鼠走到A細胞負責的位置時，A細胞會產生訊號，其他的細胞則保持安靜；而當小鼠走到B細胞負責的位置，則換成B細胞產生訊號。每個細胞只在小鼠經過自己負責的位置時產生訊號。然而，長時間量測同一腦區，卻發現在特定區域產生訊號的細胞每天都會有些不同。雖然每天小鼠走過特定區域都有特定的細胞產生訊號，但昨天負責A區域的是A細胞，今天卻換成了A’細胞，而A細胞則非常安靜。(如下圖圖二)作者發現，雖然當A細胞有執勤的時候，A一直都是負責A區域，但每天負責A區域的細胞不一定相同，而是會輪班。任兩天負責所有小鼠走過區域位置細胞只有15-25%的重合，也就是有75%-85%的細胞負責的區域有別人頂替。(像是圖片中範例，第一天分別是A,B,C三個細胞負責A,B,C三區，但第二天只有B細胞固守崗位，A和C區則改由A'和C'細胞負責。)這種位置細胞的輪班現象可能代表位置細胞不僅只記錄空間，也能記錄時間資訊。

圖二：位置細胞的輪班現象示意圖。一個位置細胞只會在小鼠經過一個特定位置有訊號，但第一天和第二天在相同區域有訊號的細胞不一定相同。

 

 

光纖光度測定(Fiber photometry)-中腦腹側被蓋區（ventral tegmental area (VTA) ）到伏隔核（nucleus accumbens (NAc) ）的投射與社交行為相關

 

上面的技術讓我們能同時觀測到很多神經細胞的細胞本體的訊號，但要觀測細胞突觸上的電位變化，就是一件充滿挑戰的事。如果觀察到細胞突觸上的電位變化有影響解析上的困難，那要怎麼知道兩個腦區之間彼此是怎麼溝通的呢？Lisa Gunaydin等人不直接觀察單一一個突觸，而是將所有從一個腦區投射到另一個腦區的所有突觸訊號搜集成一個訊號觀察。如此一來，就不需要解析一個突觸的微小訊號，而可以直接觀察一個較大的訊號。她們的做法是，將所有腹側背蓋區(VTA)的多巴胺細胞都植入基因內嵌鈣離子顯示器（Genetically encoded calcium Indicator, GECI)，但將光纖放到VTA的下游區域伏隔核(NAc)去搜集所有從VTA的多巴胺細胞投射到NAc的突觸鈣離子訊號。他們將此方法稱之為光纖光度測定(Fiber photometry)。

 

利用這個方法，他們觀察到這些從VTA多巴胺細胞投射到NAc的突觸在小鼠進行社交行為的時候有許多訊號產生。

 

這個技術雖然不能解析單一細胞，卻能讓研究者以簡單的方式研究從一個腦區到另一個腦區的所有突觸的整體訊號和行為間的關係。這個技術的優點在於能以簡單的操作（埋光纖畢竟比埋顯微鏡容易）、相對低的經費（光纖比顯微鏡便宜）、對小鼠行為的影響較小的情況下（光纖的重量比起迷你顯微鏡仍然輕上許多），研究動物行為和大腦活動的關聯。雖然犧牲了單一細胞的解析度，卻讓小鼠有更多行為的可能性，讓研究者能研究更自然也更多元行為下的神經訊號。

圖三：以光纖光度測定法研究腹側背核投射到伏隔核的突觸在社交行為的訊號示意圖。作者讓腹側背核的神經細胞攜帶基因內嵌式鈣離子顯示器，但將光纖放在伏隔核觀察腹側背核神經細胞軸突端的訊號。

 

參考資料

[1]Ghosh, K. K., Burns, L. D., Cocker, E. D., Nimmerjahn, A., Ziv, Y., El Gamal, A., & Schnitzer, M. J. (2011). Miniaturized integration of a fluorescence microscope. Nature methods, 8(10), 871.

[2]Ziv, Y., Burns, L. D., Cocker, E. D., Hamel, E. O., Ghosh, K. K., Kitch, L. J., ... & Schnitzer, M. J. (2013). Long-term dynamics of CA1 hippocampal place codes. Nature neuroscience, 16(3), 264.

[3]Gunaydin, L. A., Grosenick, L., Finkelstein, J. C., Kauvar, I. V., Fenno, L. E., Adhikari, A., ... & Deisseroth, K. (2014). Natural neural projection dynamics underlying social behavior. Cell, 157(7), 1535-1551.