血清素是一種神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)，在大腦控制我們的思想和感覺的方式中起著至關(guān)重要的作用。例如，許多抗抑郁藥被設(shè)計為改變在神經(jīng)元之間發(fā)送的5-羥色胺信號。在《細(xì)胞》雜志上，由美國國立衛(wèi)生研究院資助的研究人員在一篇文章中描述了他們?nèi)绾问褂孟冗M(jìn)的基因工程技術(shù)將細(xì)菌蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為一種新的研究工具，該工具可以比現(xiàn)有方法更有效地監(jiān)測5-羥色胺的傳播。

由NIH BRAIN Initiative資助的科學(xué)家利用人工智能幫助重新設(shè)計了一種營養(yǎng)捕捉劑，將維納斯捕蠅器狀的細(xì)菌蛋白重新設(shè)計成高度敏感的血清素傳感器。當(dāng)小鼠在睡眠和清醒的不同階段之間轉(zhuǎn)換時，該傳感器首次捕獲了腦中5-羥色胺水平的細(xì)微實時變化。田實驗室 圖片提供：加州大學(xué)戴維斯分校醫(yī)學(xué)院。

臨床前實驗(主要是在小鼠中)表明，該傳感器可以檢測睡眠，恐懼和社交互動過程中大腦5-羥色胺水平的細(xì)微實時變化，并測試新型精神活性藥物的有效性。這項研究部分由美國國立衛(wèi)生研究院的大腦研究通過先進(jìn)的創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)(BRAIN)計劃資助， 該計劃旨在徹底改變我們在健康和疾病條件下對大腦的理解。

這項研究由加州大學(xué)戴維斯分校醫(yī)學(xué)院首席研究員林田博士的研究人員領(lǐng)導(dǎo)。當(dāng)前的方法只能檢測5-羥色胺信號傳導(dǎo)的廣泛變化。在這項研究中，研究人員將營養(yǎng)豐富的維納斯捕蠅器狀細(xì)菌蛋白轉(zhuǎn)化為高度敏感的傳感器，當(dāng)捕獲5-羥色胺時會發(fā)出熒光。

此前，弗吉尼亞州阿什本市霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所珍妮莉亞研究園區(qū)的Loren L. Looger博士實驗室的科學(xué)家使用傳統(tǒng)的基因工程技術(shù)將細(xì)菌蛋白轉(zhuǎn)化為神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿的傳感器。這種稱為OpuBC的蛋白質(zhì)通常會勾勒出營養(yǎng)膽堿，其形狀類似于乙酰膽堿。在這項研究中，Tian實驗室與Looger博士的團(tuán)隊以及加利福尼亞州帕薩迪納市Caltech的Viviana Gradinaru博士實驗室合作，表明他們需要額外的人工智能幫助才能將OpuBC完全重新設(shè)計為血清素捕獲劑。

研究人員使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來幫助計算機(jī)“思考” 25萬個新設(shè)計。經(jīng)過三輪測試，科學(xué)家們決定了其中一個。初步實驗表明，這種新傳感器可以可靠地檢測出大腦中不同水平的血清素，而對其他神經(jīng)遞質(zhì)或形狀相似的藥物幾乎沒有反應(yīng)。在老鼠腦切片上進(jìn)行的實驗表明，該傳感器對突觸通訊點神經(jīng)元之間發(fā)送的血清素信號有反應(yīng)。同時，對皮氏培養(yǎng)皿中細(xì)胞的實驗表明，該傳感器可以有效監(jiān)測藥物引起的這些信號的變化，這些藥物包括可卡因，MDMA(也稱為搖頭丸)和幾種常用的抗抑郁藥。

最后，在小鼠中進(jìn)行的實驗表明，該傳感器可以幫助科學(xué)家研究更自然條件下的血清素神經(jīng)傳遞。例如，研究人員目睹了清醒時5-羥色胺水平的預(yù)期升高，以及當(dāng)小鼠入睡時血清素水平的下降。當(dāng)小鼠最終進(jìn)入更深的REM睡眠狀態(tài)時，他們還發(fā)現(xiàn)跌幅更大。傳統(tǒng)的5-羥色胺監(jiān)測方法會忽略這些變化。

此外，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)警鈴警告老鼠腳部震顫時，在兩個獨立的大腦恐懼回路中，血清素水平會有所不同。在一個回路中，即前額葉內(nèi)側(cè)皮層，鐘聲觸發(fā)血清素水平快速升高，而在另一個回路中，即基底外側(cè)杏仁核，發(fā)射器逐漸升高至較低水平。本著“大腦計劃”的精神，研究人員計劃將這種傳感器提供給其他科學(xué)家。他們希望這將有助于研究人員更好地了解5-羥色胺在我們的日常生活和許多精神疾病中的關(guān)鍵作用。

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