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脑子里的彩虹 精选

已有 5413 次阅读 2012-9-24 05:54 |系统分类:科普集锦| 彩虹, 脑子

数以亿计的神经细胞默默地在神经系统的各个部门工作。神经细胞紧紧地排列在一起,象森林里的大树那样互相交织缠绕。因此在普通显微镜下脑组织看起来象肉冻,分不清单个神经细胞,只能模模糊糊地看到一些由于神经细胞整齐排列形成的层状结构。一百多年来在神经科学发展的同时,科学家一直在发展各种技术来看清神经细胞。

脑彩虹技术

脑彩虹(brain bow 是哈佛医学院的理奇曼(Jeff W. Lichtman 和三思( Joshua R. Sanes)小组于2007年发明技术。从下面图一可以看到,用此技术拍摄到的神经细胞每个颜色都是独一无二的。很多细胞看起来虽然都是红的,但一个偏黄,另一个偏青,还有的偏紫。这样计算机就能通过颜色完全识别每个神经细胞。哪怕他们紧密排列,分支互相交织缠绕。



图一  用脑彩虹技术拍摄的海马神经细胞。下面的彩色圆圈是细胞胞体,上面的树枝状结构是细胞的突触。每个细胞都有一个独特的颜色,海马神经细胞的功能是使我们产生记忆。


脑彩虹技术的理念和电视和摄影技术中常用的三原色技术类似。电视的显示屏只有红绿蓝三种荧光粉,但是可以用三种颜色的亮度不同来配比出多种颜色。


理奇曼-三思小组利用转基因技术中的Cre-Lox recombination方法,让小鼠的神经细胞携带红绿黄蓝青等几种荧光蛋白的基因。在基因重组的某一个步骤中设计了很大的随机性,这样每个神经细胞得到的各种颜色蛋白的基因数量就不同,于是每个细胞就会有一个独特的比例来表达红黄绿蓝青等几种荧光蛋白。在荧光显微镜下,每个细胞就有了一个独特的颜色。用Cre-Lox方法产生基因随机比例的方法见图二,更详细的解释可以读他们在2007年发表于Nature的原始文献。




图二  Cre-Lox重组技术产生携带基因的随机比例。 图中上面链条表示一段带有红,黄,蓝三种荧光蛋白的DNA片断。在基因重组的时候可以甩掉一段。如果甩掉红,黄,两段,就只剩下蓝色蛋白(图中的蓝色框),如果甩掉红色就剩下黄和蓝蛋白(图中黄框),如三段都不甩掉则表达成红色。在转基因过程中有多个相同相同的DNA 片断转进细胞,每个都随机地重组留下不同的蛋白,这样每个细胞就会表达不同数量的荧光蛋白。


荧光标记蛋白

让细胞有颜色是看清他们的关键。基因只能携带并让细胞表达蛋白等大分子。这样开发有颜色的荧光蛋白质就成了神经科学研究中的一项主要技术。大家还记得几年前Roger Tsien(錢永健,钱学森的侄子)和Osamu ShimomuraMartin Chalfie 分享得若贝尔奖的事吗?他们得奖的主要贡献就是开发绿色荧光蛋白技术。




左起:Chalfie, 下村,钱永建。



1958年,日本科学家Osamu Shimomura(下村荻)在作硕士论文的时候发现一种低等动物蛋白在碰到水的时候会发荧光。后来下村继续此项研究并在1960 年代(他在普林斯顿大学做博士后)纯化了水母中的绿色荧光蛋白。1994年,绿色荧光蛋被Martin Chalfie(哥伦比亚大学)在其他物种中表达,由此证明这种蛋白可以脱离水母中的各种酶系统而独立发出荧光。由此,分子生物学技术就可以使这种蛋白作为一个重要的细胞标记手段。可是,天然绿色荧光蛋白还不能作为一种有效的工具,它的分子对环境敏感,而且发光的强度较弱且不稳定。1995年,錢永健(加州大学,圣地亚哥)发现改变蛋白分子上一个氨基酸可以时其发光大大加强,并稳定。从此绿色荧光蛋白加入了神经科学家的功具箱。那几年有个荧光蛋白热,几个小组使用各种方法改变绿色荧光蛋白,不但使其更亮更稳定,而且也产生出蓝,黄,青等不同颜色的蛋白。



作为题外话,我也曾在美国东岸的伍兹霍海洋生物站工作过。那时伍兹霍是神经科学的圣地,夏天傍晚饭馆酒吧里坐的都是神经科学家。在那里我曾多次与若贝尔奖获得者擦肩而过。当然是在小路上,下村这位朴实无华的退休老人,生物站的荣誉终生教授。我深深记得他在做报告时让把灯全关掉,在黑暗中他从口袋里拿出两只试管,当溶液混合时会产生幽幽的鬼火似的蓝光。在他得奖前,年复一年,他不断地重复着那六十年代的辉煌。老听众也一遍一遍地享受着那有趣的祥林嫂故事。钱永建的报告呢? 当然也听过。属于那种中气十足,高潮迭起,每样都能上NatureScience 的工作。当然这类大牛报告听多了也会打瞌睡。




伍兹霍海洋生物站, 这是从镇上的一个小酒吧的露台上看过去, 做不出实验可以在这里减压。



荧光蛋白若贝尔奖还有一个比较悲崔的故事。同在伍兹霍海洋生物站工作,首次克隆出绿色荧光蛋白的人没有得若贝尔奖,反而因生机所迫离开科学。他叫Douglas Prasher1979年的博士,1983年到伍兹霍工作。据国家公共电台的采访,1988年他得了美国癌症协会的一笔基金,开始克隆绿色荧光蛋白的工作。他于1992年成功完成了这个项目,并把克隆出的结果给了Chalfie,钱和其他几百位科学家。可是,两年后基金用完后他去申请NIH基金时被拒了。当时Prasher正在搞终身教授,没有NIH基金算个硬伤,于是他干脆不干了,改行到农业部搞动植物检疫,后来辗转几个技术工作,最后在NASA基金裁减后完全离开了科技,到当地一个汽车行当接送客人的司机。一个小时只挣8块五。所以我从不抱怨和若贝尔奖擦肩而过,就算是你做的就是若贝尔奖课题,也不见得能得到基金,能有工作。一个科学家应该感恩你目前的工作,感谢NIH的评审员支持过你的工作,你以前的导师让你毕业。



Douglas Prasher

 

荧光蛋白现在已经用到商业化了,比如,让金鱼色彩珣丽.


本文一部分来自我给非神经科学专业的本科和研究生开的科普课。把课程内容减少点技术,加点花絮写成 科普故事。这段课的四学时还有另外两部分,“光学方法测量神经细胞的活动”和“用光指挥神经细胞”这个科普课可能在今秋回国时给医学生用中文试讲,也希望 浅显到中学生也能懂。神经科学,一点一滴皆故事。但我写一个小故事也需要一天,所以我每次动笔前都很纠结今天应该写哪个话题。有空再继续写吧。




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