钙是大多数细胞的关键信号分子，在神经元中尤其重要，对脑细胞中的钙进行成像可以很好地揭示神经元如何相互沟通。然而，目前的成像技术只能穿透几毫米的大脑，这显然妨碍了人类对大脑的进一步了解。
因此，针对这一问题，麻省理工学院的研究人员近期发明了一种基于核磁共振成像技术的新方法，这种方法可以让我们更深入地观察大脑的磁共振活动。利用这项技术，我们可以追踪活体动物神经元内部的信号传递过程，以此将神经活动与特定的行为联系起来。
本文主要作者，麻省理工学院生物工程、大脑与认知科学、核科学与工程学教授，麻省理工学院麦戈文脑科研究所研究中心副成员 Alan Jasanoff 说：“这篇论文描述了首个基于磁共振成像检测细胞内钙信号的方法，它十分类似于在神经科学中广泛使用的成熟的光学方法，只是现在可以在深层组织中进行这样的检测。”
进入细胞
在静息状态下，神经元的钙含量非常低。然而，当它们发出电脉冲时，钙就会涌入细胞。在过去的几十年里，科学家们已经设计出用荧光分子标记钙的方法来描绘这种活动。这可以在实验室培养皿中培养的细胞中完成，也可以在活体动物的大脑中完成，但这种显微成像技术只能渗透到组织中的几十分之一毫米，大多数研究仅限于大脑表面。
“这些工具已经做了很多了不起的事情，但是我们希望能够让我们自己和其他人更深入地了解细胞水平的信号，”Jasanoff 说。
图丨Alan Jasanoff（来源：MIT）
为了达到这个目的，麻省理工学院的研究小组使用了磁共振成像技术，这是一种非侵入性技术，通过检测注入的造影剂和细胞内水分子之间的磁相互作用来实现。
一直以来，许多科学家都在致力于基于磁共振成像的钙传感器的研究，但主要的障碍是开发一种可以进入脑细胞的造影剂。去年，Jasanoff 的实验室开发了一种可以测量细胞外钙浓度的核磁共振传感器，但这种传感器是基于太大而无法进入细胞的纳米颗粒。
为了制造新的细胞内钙传感器，研究人员使用了能够穿过细胞膜的构件。这种造影剂含有锰，这是一种与磁场相互作用较弱的金属，它与一种可以穿透细胞膜的有机化合物结合在一起。这种复合物还含有一种叫做螯合剂的钙结合臂。
一旦进入细胞内，如果钙水平低，钙螯合剂就与锰原子弱结合，从而使锰免受核磁共振检测。当钙流入细胞时，螯合剂与钙结合并释放锰，这使得造影剂在 MRI 图像中显得更明亮。
“当神经元或神经胶质之类的脑细胞受到刺激时，它们的钙浓度通常会增加十倍以上。而我们的传感器可以检测到这些变化。”Jasanoff 说。
精确的测量
在实验中，研究人员对大鼠的纹状体进行注射，这是大脑深处的一个区域，涉及规划运动和学习新的行为。然后，他们用钾离子刺激纹状体神经元的电活动，并能够测量这些细胞的钙反应。
Jasanoff 希望利用这种技术来识别参与特定行为或动作的小型神经元群。由于这种方法直接测量细胞内的信号，它可以比传统的功能性磁共振成像 (fMRI) 提供更精确的神经元活动的位置和时间信息。
“这可能有助于搞清楚大脑中不同结构是如何协同工作来处理刺激或协调行为的，”他说。
此外，这项技术可以用来对钙成像，而经过进一步的修改，有朝一日，它还可以用于对大脑或其他依赖钙的器官 (如心脏) 进行诊断性成像。
