钙是大多数细胞的关键信号分子，在神经元中尤为重要。脑细胞中的钙成像可以揭示神经元如何相互通信; 然而，目前的成像技术只能穿透几毫米进入大脑。
麻省理工学院的研究人员现在已经设计出一种基于磁共振成像(MRI)的钙活性成像方法，可以让他们更深入地了解大脑。使用这种技术，他们可以跟踪活体动物神经元内的信号传导过程，使他们能够将神经活动与特定行为联系起来。
“本文描述了第一个基于MRI的细胞内钙信号检测，它直接类似于神经科学中广泛使用的强大光学方法，但现在可以在深部组织中进行这种测量，”麻省理工学院麻省理工学院教授Alan Jasanoff说。生物工程，大脑和认知科学，核科学和工程，以及麻省理工学院麦戈文脑研究所的准成员。
Jasanoff是该论文的高级作者，该论文发表于2月22日出版的Nature Communications。麻省理工学院博士后阿里巴兰多夫和本杰明巴特尔是该论文的主要作者。麻省理工学院高级学生Catherine Williamson，麻省理工学院最近的毕业生Emily Loucks和Arthur Amos Noyes化学荣誉退休教授Stephen Lippard也是该研究的作者。
进入细胞
在他们的静息状态下，神经元具有非常低的钙水平。然而，当他们发射电脉冲时，钙会涌入细胞。在过去的几十年中，科学家们已经设计出通过用荧光分子标记钙来对这种活动进行成像的方法。这可以在实验室培养的细胞或活体动物的大脑中进行，但这种显微镜成像只能穿透十分之几毫米进入组织，将大多数研究限制在大脑表面。
“这些工具已经完成了令人惊奇的事情，但我们想要的东西可以让我们自己和其他人更深入地了解细胞层信号，”Jasanoff说。
为了实现这一目标，麻省理工学院的团队转向MRI，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发挥作用。
许多科学家一直在研究基于MRI的钙传感器，但主要的障碍是开发出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MRI传感器，但这些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，研究人员使用了可以穿过细胞膜的构建块。造影剂含有锰，一种与磁场微弱相互作用的金属，与可以穿透细胞膜的有机化合物结合。该复合物还含有称为螯合剂的钙结合臂。
一旦进入细胞内，如果钙水平低，则钙螯合剂与锰原子弱结合，从而使锰免于MRI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图像中看起来更亮。
“当神经元或其他称为神经胶质的脑细胞受到刺激时，它们的钙浓度经常增加十倍以上。我们的传感器可以检测到这些变化，”Jasanoff说。
精确测量
研究人员通过将大脑中的传感器注入纹状体进行测试，纹状体位于大脑深处，参与规划运动和学习新行为。然后他们使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中的钙反应。
Jasanoff希望利用这种技术来识别涉及特定行为或行为的小型神经元群。因为这种方法直接测量细胞内的信号传导，所以它可以提供比传统功能磁共振成像(fMRI)更精确的关于神经元活动的位置和时间的信息，传统功能磁共振成像测量大脑中的血流量。
“这可能有助于弄清楚大脑中的不同结构如何协同工作来处理刺激或协调行为，”他说。
此外，该技术可用于对钙进行成像，因为它具有许多其他作用，例如促进免疫细胞的活化。通过进一步的修改，它有一天也可用于对大脑或其功能依赖钙的其他器官(例如心脏)进行诊断成像。