天天速遞！腦虹技術(shù)讓我們看到神經(jīng)細胞“芳容”

【資料圖】

所有神經(jīng)細胞都呈現(xiàn)淺淺的灰白色，在顯微鏡下不露端倪。直到意大利科學(xué)家高爾基發(fā)明了高爾基染色技術(shù)后，科學(xué)家們才發(fā)現(xiàn)染色效果就像一幅黑白照片。后來，科學(xué)家又陸續(xù)發(fā)明了尼氏染色、生物素染色、辣根過氧化酶染色等技術(shù)來展現(xiàn)神經(jīng)細胞的“芳容”，呈現(xiàn)的神經(jīng)細胞可以是黃色、藍色或者棕色，然而每張“照片”上的神經(jīng)細胞都是一種顏色。2007年，一種被稱為“腦虹”的技術(shù)橫空出世，給大腦神經(jīng)細胞隨機染上數(shù)十種不同的色彩，看上去就像一幅印象派的油畫，每一根神經(jīng)纖維都纖毫畢現(xiàn)。這對神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和發(fā)育研究產(chǎn)生了極大的推動作用。

“腦虹”是一種分子生物學(xué)與遺傳學(xué)結(jié)合的技術(shù)。實驗人員將熒光蛋白基因轉(zhuǎn)入實驗動物的基因組。當(dāng)這些基因在神經(jīng)細胞中表達時，神經(jīng)細胞就會發(fā)出熒光。如果轉(zhuǎn)入的是紅色、綠色、藍色等不同光譜的熒光蛋白基因，神經(jīng)細胞就會因為這幾種基因表達量不同而呈現(xiàn)出絢麗多彩的顏色，其原理與彩色電視機顯示器的原理類似。

借助腦虹技術(shù)，科學(xué)家可以對實驗動物腦部的不同部位或不同發(fā)育階段神經(jīng)細胞進行標(biāo)記，從而獲得對神經(jīng)系統(tǒng)的組織和功能的新理解。腦虹技術(shù)豐富的色彩能夠幫助科學(xué)家們更快建立起“腦連接”的結(jié)構(gòu)與功能圖譜，為破譯大腦奧秘繪制出一幅“全景圖”。腦虹技術(shù)也為人類精神疾病的治療打開了一扇大門。通過腦虹技術(shù)成像，科學(xué)家開始研究孤獨癥、智力障礙、狂躁癥、抑郁癥，以及學(xué)習(xí)障礙等疾病和大腦的神經(jīng)元回路異常之間的相關(guān)性。

腦虹技術(shù)的誕生，還有一段傳奇故事。20世紀60年代，日本海洋生物學(xué)家下村修對水母發(fā)光的現(xiàn)象產(chǎn)生了濃厚興趣，每年夏天都要趕往美國西北部海岸撈取水晶水母，研究其發(fā)光原理。經(jīng)過多年努力，他從這些水母的體內(nèi)提取出一種被稱為綠色熒光蛋白的物質(zhì)，正是這種蛋白質(zhì)讓水母發(fā)出了幽幽的綠光。

20世紀80年代，基因工程在生命科學(xué)領(lǐng)域嶄露頭角，美國分子生物學(xué)家普瑞舍想到用基因工程技術(shù)將綠色熒光蛋白轉(zhuǎn)入到其他生物細胞蛋白質(zhì)上，就相當(dāng)于給這些蛋白質(zhì)打上了“熒光標(biāo)記”，使這些蛋白質(zhì)的一舉一動都無法遁形。普瑞舍申請科研經(jīng)費屢屢碰壁，直到1988年才從美國癌癥協(xié)會申請到20萬美元。有了這筆錢，普瑞舍歷經(jīng)3年埋頭實驗終于從水晶水母的體內(nèi)提取出綠色熒光蛋白基因。此時的普瑞舍因為研究經(jīng)費耗竭而無法再深入研究，好在及時發(fā)表了研究論文，并把自己辛苦提取的綠色熒光蛋白基因贈送給了兩位科學(xué)家馬丁·查爾菲和錢永健。

幾年后，查爾菲實驗室的研究人員成功地把綠色熒光蛋白表達在線蟲體內(nèi)，錢永健實驗室則對綠色熒光蛋白進行了改造，使其變成了五顏六色的熒光蛋白。從此，熒光蛋白變成了一個可以讓人隨心所欲調(diào)配的“調(diào)色盤”，只要將不同色彩的熒光蛋白按照不同比例互相混合，就能調(diào)出上萬種色彩，并且表達在轉(zhuǎn)基因動物的體內(nèi)。這一技術(shù)為整個生命科學(xué)的研究帶來了嶄新的前景，后來被廣泛運用于科學(xué)研究。

2008年，諾貝爾化學(xué)獎授予下村修、查爾菲和錢永健三位科學(xué)家，以表彰他們在綠色熒光蛋白研究中的貢獻。在記者招待會上，查爾菲和錢永健都對普瑞舍當(dāng)年的研究成果贊不絕口。然而，“第四大功臣”普瑞舍卻因缺乏研究經(jīng)費，不得不離開實驗室四處打工，成為一名普通的班車司機，錢永健得知這一消息后，將其聘請到自己的實驗室繼續(xù)開展研究工作。

普瑞舍雖然與諾貝爾獎失之交臂，可是他為科學(xué)作出的貢獻同樣被人們銘記。科學(xué)史上群星璀璨，然而也有無數(shù)像普瑞舍那樣的無名英雄在默默耕耘，就像彩虹背后的那片藍天。

（作者系華中師范大學(xué)副教授、中國神經(jīng)科學(xué)學(xué)會科普與繼續(xù)教育委員會委員）

標(biāo)簽： 熒光蛋白 神經(jīng)細胞 生物學(xué)家