掺杂稀土的纳米探针用于神经元电信号在体成像

据悉，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、神经科学国家重点实验室杜久林研究组与中国科学院上海硅酸盐研究所施剑林研究组合作共同开发出了一种掺杂稀土元素的近红外激发电压荧光纳米探针，其适合应用于神经元电信号在体成像。

群体神经元活动的在体检测是揭示神经系统功能机制的关键。目前，神经元钙离子荧光成像是主要手段之一。但是，钙离子荧光信号由于动力学较慢，所以很难推断出与之对应的神经脉冲的频率和数量。因此，神经科学界迫切希望能开发出对细胞膜电位变化敏感、有高信噪比的荧光分子探针，从而实现高时空分辨率、大范围神经元集群电活动的活体检测。而如何开发此种高敏感探针已成为了目前国际神经科学领域重点攻克的技术难关之一。

稀土元素掺杂的上转换纳米颗粒（UCNPs）是一类近红外光激发，紫外、可见光多重发射的反斯托克斯发光纳米材料。其由于具有深组织穿透度、低背景荧光、多重发射的特性，已在生物成像与活体诊疗的应用中获得广泛关注。在该工作中，研究者制备出了一种基于UCNPs的电压敏感探针。首先将UCNPs固定在细胞膜上，然后将六硝基二苯胺（DPA）嵌入细胞膜磷脂双分子层。在细胞静息状态下，带负电荷的DPA在细胞膜外侧富集，UCNP与DPA之间距离在10nm以内，因此形成发光共振能量转移体系（FRET），UCNPs发光被DAP吸收，检测到的光信号较弱。当细胞去极化后，DPA在电场作用下在细胞膜内侧富集，UCNP与DPA之间距离超过10nm，FRET效应消失，从而恢复UCNPs的发光。 

为验证该电压纳米探针在神经元电活动检测中的优势，研究者应用该纳米探针分别检测了斑马鱼前脑神经元的嗅觉反应和小鼠新皮层神经元膜电位振荡随麻醉深度的变化。结果表明，在近红外光的激发下，该纳米探针的荧光信号明显，且记录时间较长，达30分钟，远高于目前的蛋白分子探针。

该工作为设计可用近红外光激发的电压敏感探针提供了全新思路，为探究深层活体组织中神经活动开辟了实时动态监测的新方法。研究成果已经以《近红外电压纳米探针用于实时监控小鼠和斑马鱼神经活动》为题发表在《美国化学会志》期刊上。

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