活體小鼠神經(jīng)元雙光子成像實(shí)時(shí)捕捉大腦神經(jīng)信號(hào)調(diào)控過程

在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，理解大腦如何通過神經(jīng)調(diào)質(zhì)調(diào)控復(fù)雜行為，是一項(xiàng)核心挑戰(zhàn)。特別是Gq蛋白偶聯(lián)受體通路，它調(diào)控著 arousal、注意力、記憶乃至幻覺等關(guān)鍵過程，但其下游信號(hào)動(dòng)態(tài)一直難以在活體動(dòng)物中進(jìn)行精確觀測(cè)。近日，一項(xiàng)發(fā)表于《Nature Communications》的研究成功開發(fā)出一種名為CKAR3的新型基因編碼熒光壽命傳感器，專門用于監(jiān)測(cè)蛋白激酶C（PKC）的活性。PKC是Gq通路下游的核心信號(hào)樞紐。CKAR3的問世，首次實(shí)現(xiàn)了在活體小鼠大腦皮層神經(jīng)元中，以高靈敏度、高特異性“看見”PKC的實(shí)時(shí)活動(dòng)，揭示了運(yùn)動(dòng)過程中特定神經(jīng)元群體的異質(zhì)性反應(yīng)，為破解神經(jīng)調(diào)質(zhì)如何精細(xì)調(diào)控大腦功能提供了強(qiáng)有力的新工具。

這一重要發(fā)現(xiàn)由 Takaki Yahiro、Landon Bayless-Edwards、James A. Jones、Yizhou Zhuo、Lei Ma、Maozhen Qin、Tianyi Mao 及 Haining Zhong 聯(lián)合完成。相關(guān)論文《A high-performance genetically encoded sensor for cellular imaging of PKC activity in vivo》在線發(fā)表于《Nature Communications》。

重要發(fā)現(xiàn)
本研究旨在攻克一個(gè)長(zhǎng)期存在的技術(shù)瓶頸：如何在動(dòng)物自由活動(dòng)時(shí)，實(shí)時(shí)觀測(cè)單個(gè)神經(jīng)元內(nèi)Gq信號(hào)通路的動(dòng)態(tài)。研究團(tuán)隊(duì)遵循“從體外篩選到體內(nèi)應(yīng)用”的嚴(yán)謹(jǐn)路徑，取得了一系列關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)。

經(jīng)過多輪工程化改造，團(tuán)隊(duì)最終構(gòu)建出CKAR3。其核心創(chuàng)新在于采用了全新的熒光蛋白對(duì)——mEGFP（供體）和暗FRET受體cp-sREACH，并引入了核輸出序列。這一組合使得CKAR3在受到PKC磷酸化后，熒光壽命的變化幅度（Δlifetime）達(dá)到驚人的-0.43納秒，比CKAR2提高了約11倍，是所有已測(cè)試傳感器的5倍以上。這一動(dòng)態(tài)范圍已與成功用于活體成像的PKA傳感器相當(dāng)，為其體內(nèi)應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

當(dāng)小鼠在電動(dòng) treadmill 上被迫運(yùn)動(dòng)時(shí)，M1皮層中約30%的神經(jīng)元（而非V1或小腦神經(jīng)元）表現(xiàn)出強(qiáng)烈的PKC活性升高。這些神經(jīng)元被分為兩個(gè)具有不同動(dòng)態(tài)特征的亞群：它們的激活和失活動(dòng)力學(xué)相似，但在響應(yīng)模式上存在差異，暗示了它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)調(diào)控中扮演著不同角色。通過藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這種運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的PKC活性同樣可被東莨菪堿顯著抑制，表明膽堿能輸入是驅(qū)動(dòng)這一信號(hào)的主要來源。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
01突破成像難題：攻克Gq通路活體觀測(cè)的“低信噪比”瓶頸
Gq信號(hào)在體內(nèi)通常是局部、短暫且幅度較小的。傳統(tǒng)PKC傳感器動(dòng)態(tài)范圍窄，其信號(hào)往往湮沒在活體成像的背景噪聲（如動(dòng)物運(yùn)動(dòng)偽影、組織光漂白、表達(dá)水平差異）之中。CKAR3的巨大動(dòng)態(tài)范圍（5倍于現(xiàn)有傳感器）提供了前所未有的信噪比，使得微弱的生理性信號(hào)得以從噪聲中清晰浮現(xiàn)。這是其能夠在活體層面成功的核心所在。

細(xì)胞異質(zhì)性與疾�。篜KC功能紊亂與阿爾茨海默病、精神分裂癥等多種神經(jīng)精神疾病相關(guān)。CKAR3使得在疾病模型動(dòng)物中，追蹤特定細(xì)胞類型內(nèi)PKC信號(hào)的時(shí)空異常成為可能，有助于揭示疾病早期的細(xì)胞層面事件。

總結(jié)與展望
本研究成功開發(fā)并驗(yàn)證了CKAR3，一種高性能的基因編碼熒光壽命傳感器，實(shí)現(xiàn)了在活體動(dòng)物中以單細(xì)胞分辨率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PKC的動(dòng)態(tài)活性。其卓越的動(dòng)態(tài)范圍、高度的特異性以及對(duì)神經(jīng)元功能的中性影響，使其成為研究Gq蛋白偶聯(lián)受體信號(hào)在生理和病理?xiàng)l件下作用的里程碑式工具。通過CKAR3，研究者首次觀察到運(yùn)動(dòng)皮層中PKC活性的細(xì)胞特異性異質(zhì)性及其與行為的關(guān)聯(lián)。

DOI:10.1038/s41467-025-61729-7.