HHMI研发出了新一代高性能基因编码的钙离子探针jGCaMP7系列特殊铜器

06-18

2019年6月17日，Nature Methods发表了霍华德休斯医学研究所HHMI Janelia研究校区Karel Svoboda、Loren Looger、Vivek Jayaraman等课题组合作的GENIE项目组题为 High-performance calcium sensors for imagingactivity in neuronal populations and microcompartments的研究论文，介绍了新一代基因编码的钙离子探针jGCaMP7系列，包括高灵敏的jGCaMP7s 、高速的jGCaMP7f 、高亮度的jGCaMP7b 和高对比度的jGCaMP7c，将会有力推动系统神经科学的研究及相关光生理学技术的发展。

受限于荧光生物传感器的设计原理，一直以来钙离子探针的动态范围和基线噪声水平常常相互制约。考虑到低频信号检测在神经科学领域的迫切需要，通过优化低频段灵敏度同时进一步提高钙离子亲和力，jGCaMP7b，jGCaMP7s相对于GCaMP6在低频段灵敏度和亮度方面同时获得大幅提高（下图），其中jGCaMP7s灵敏度最高可达GCaMP6s的5倍以上，jGCaMP7b达4倍以上且亮度同时提高50%左右，速度也有所提高。此外，jGCaMP7c在果蝇运动神经元中的最大荧光强度变化高达3000%，通过和新一代大视场光学显微技术结合，对于大规模神经网络神经活动的测量将会有很大帮助。

亚细胞神经活动变化的测量对神经环路动态和树突计算等研究有重要意义，而树突轴突等亚细胞精细结构体积小，GCaMP分布概率低，光子数少。而jGCaMP7b，jGCaMP7s，jGCaMP7f大幅提高了在不同钙离子浓度下的可检测光子数，jGCaMP7f同时具有较高的速度，这对于树突电活动的测量非常重要。例如，对于闭环视觉刺激下的运动果蝇中央脑神经环路中的树突神经活动，通过双光子成像jGCaMP7f相比GCaMP6f能够实现更灵敏的检测（下图）。对小鼠初级视皮层双光子成像，jGCaMP7b相比于GCaMP6s能够在更多的树突棘中检测到对视觉刺激的反应。

目前jGCaMP7已经被多个实验室用于线虫、果蝇、斑马鱼、小鼠等多个模式生物的研究。从广泛使用的绿色荧光钙离子探针GCaMP6开始，到红色荧光钙离子探针jRGECO1/jRCaMP1，到现在的jGCaMP7，GENIE项目组的一系列工作使得钙离子光学动态成像逐渐成为环路水平神经活动测量的主流方法。进一步和最近发展的一系列神经递质探针、电压探针等结合，将会有力推动系统神经科学的研究及相关光生理学技术的发展。

研究背景

脑神经活动的动态测量是神经科学研究的基础。电生理是神经元活动测量的经典方法，但是基于膜片钳的电生理受限于可同时记录的神经元数量，而多通道细胞外记录则难于和特定细胞类型相联系。此外，功能磁共振成像受限于时空分辨率不能达到细胞水平的检测。由于神经电活动特别是动作电位和胞内钙离子浓度变化有较好的对应关系，基于基因编码钙离子探针的钙成像技术近年来越来越普及。特别是和双光子显微镜的结合实现了一系列行为动物活体动态功能成像技术。但是目前钙成像在大规模神经网络活动和神经元亚细胞神经活动的测量方面尚有待提高。

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