12 月 23 日消息，科学家通过一种全新的方式，终于“听到”了大脑最安静的信息，从而为理解神经元如何思考、决策和形成记忆提供了新的研究窗口。相关成果于 12 月 23 日发表在《自然・方法》上。
简单来说，科学家们创造了一种新型蛋白质，能够捕捉脑细胞接收到的化学信号，而不仅仅是它们发出的信号。
这些进入神经元的化学信息主要由谷氨酸携带，这种神经递质在大脑通信中扮演着核心角色。而谷氨酸是一种在大脑信息传递中起核心作用的神经递质，但由于其信号极其微弱且发生速度极快，长期以来几乎无法被直接观测。
这一突破使得研究人员能够在微弱的化学信息抵达单个神经元时进行记录，为大脑如何处理信息打开了一扇新窗口。
为何此项突破至关重要
通过检测传入信号，科学家现在可以探索神经元实际上如何计算信息。每个神经元在产生输出之前会整合成千上万个输入，这一过程是思维、决策和记忆的基础。能够直接观察这一过程，有助于解释关于大脑工作原理的长期悬而未决的问题。
该发现对疾病研究也具有重要意义。异常的谷氨酸信号传递与阿尔茨海默病、精神分裂症、自闭症和癫痫等病症有关。拥有能更精确追踪这些信号的工具，可能帮助研究人员识别这些疾病中出了什么问题。
药物开发也将受益。药物研究人员可以利用这些传感器观察实验性治疗如何影响真实的突触活动，从而可能加速更有效疗法的开发。
一种能“倾听”神经元的新蛋白质
这种由艾伦研究所和霍华德・休斯医学研究所珍妮莉亚研究园区的科学家开发的蛋白质，被命名为 iGluSnFR4（发音类似 ‘glue sniffer’），属于一种分子“谷氨酸指示剂”。它足够灵敏，能够检测神经元之间交换的最微弱的传入化学信号。
通过揭示谷氨酸在何时何地释放，iGluSnFR4 为解读支撑学习、记忆和情感的复杂活动模式提供了一种新方法。研究人员现在可以实时观察大脑内部的神经元通信，而不是间接推断活动。
理解大脑内部的神经元通信
要理解这一进展的重要性，需要了解脑细胞如何相互作用。数十亿神经元通过被称为轴突的长分支状结构发送电脉冲进行通信。当电信号到达轴突末端时，它无法跨越被称为突触的微小间隙到达下一个细胞。
相反，信号会触发称为神经递质的化学信使释放到突触中。谷氨酸作为大脑中最常见的神经递质，对记忆、学习和情感尤为重要。当谷氨酸到达下一个神经元时，可以导致该细胞放电并传递信号。
这个过程类似于连锁反应，但远为复杂。每个神经元接收来自成千上万个其他神经元的输入，只有特定的输入组合和模式才决定接收神经元是否会激活。借助这种新的蛋白质传感器，科学家现在可以识别哪些传入信号模式会导致神经元放电。
捕捉曾经不可见的信号
直到现在，在活体脑组织中观察这些传入信号几乎是不可能的。早期的技术要么太慢，要么灵敏度不足以测量单个突触的活动。因此，研究人员只能看到神经通信的片段，而非完整的交流。
“这就像读一本所有单词都被打乱的书，不理解单词的顺序或它们是如何排列的，”该研究的主要作者之一、艾伦研究所的高级科学家卡斯帕・波德戈尔斯基博士说，“我感觉我们在这里所做的是添加了那些神经元之间的连接，通过这样做，我们现在理解了页面上单词的顺序，以及它们的含义。”
在像 iGluSnFR4 这样的蛋白质传感器出现之前，科学家仅限于记录神经元发出的信号。传入信息太微弱、太短暂而无法检测，这留下了理解脑细胞如何通信的一个主要空白。
填补神经科学研究的关键空白
“神经科学家有很好的方法来测量神经元之间的结构连接，并且在单独的实验中，我们可以测量大脑中一些神经元在‘说’什么，但我们一直不擅长将这两种信息结合起来。很难测量神经元在向其他哪些神经元传递信息，”波德戈尔斯基说，“我们在这里发明的是一种测量从不同来源传入神经元的信息的方法，这曾是神经科学研究中缺失的关键部分。”
霍华德・休斯医学研究所珍妮莉亚研究园区的科学家杰里米・哈斯曼博士强调了这一发现背后的协作努力。“iGluSnFR4 的成功源于我们在珍妮莉亚研究园区启动的 GENIE 项目团队与卡斯帕实验室之间的紧密合作。这项研究已扩展到由艾伦研究所神经动力学小组完成的出色的体内表征工作，”他说，“这是一个跨实验室和跨研究所合作、促成神经科学新发现的绝佳范例。”
为新发现打开大门
这一进展消除了现代神经科学的一个主要障碍，使得直接观察脑细胞如何接收信息成为可能。随着 iGluSnFR4 现在通过 Addgene 向研究人员提供，科学家拥有了一种强大的新工具来探索大脑在最基本层面上的运作方式。随着这项技术被更广泛地采用，它可能有助于揭示大脑一些最持久的谜题的答案。
附论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41592-025-02965-z
