电压纳米探针的设计及其感应机理图

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。研发高灵敏的并可用近红外光激发的电压敏感探针，已成为当前国际神经科学领域重点攻克的技术难关之一。中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心/神经科学研究所杜久林研究团队与中国科学院上海硅酸盐研究所施剑林、步文博研究团队合作研发了一种可用近红外光激发的电压敏感荧光纳米探针，成功监测了斑马鱼和小鼠脑中神经元膜电位的动态变化。该成果日前在线发表于《美国化学会志》。

神经元钙离子荧光成像是目前在体成像主要手段之一。然而，相比于神经脉冲信号，钙离子荧光信号的动力学相对较慢，而且很难推断出与之对应的神经脉冲的频率和数量。为实现高时空分辨率、大范围神经元集群电活动的活体检测，神经科学界迫切期望能开发出对细胞膜电位变化敏感、有高信噪比的纳米粒子或分子探针。

红外光（750 nm ~ l000 nm）相对于可见光或紫外光而言，在生物组织中穿透能力更强，穿透深度可达厘米量级，被称为“生物组织的光学窗口”。而现有的荧光电压探针只能用紫外或可见光激发，因其在活组织中易于吸收和散射而只能应用于大脑浅层。

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。由于其深组织穿透度、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。

研究人员设计和制备了一种基于UCNPs的电压敏感探针。杜久林说，“探针反映的是大脑中单个神经元膜电位的变化”。据介绍，神经元的电活动具有丰富的动态性，而以往的荧光蛋白电压探针的信噪比较低，需要平均多次实验才能得到清晰的感觉反应；尤其是此类探针极易产生“荧光淬灭”，可记录时间较短，限制了其实用性。

为验证该电压纳米探针在神经元电活动检测中的优势，研究人员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。研究发现，在斑马鱼前脑神经元对食物刺激的反应实验中，在近红外光激发下，单次施加食物刺激即可显著增强神经元的荧光信号，且可在连续数次刺激下稳定记录；得益于UCNPs较低程度的淬灭，活体记录时间可长达30分钟，远高于目前的蛋白分子探针。研究同时证明，纳米探针的发光强度可真实反映脑电成分的相应变化。

专家表示，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的神经活动开辟了实时动态监测的新方法。

“新探针可以探测各种神经活动的变化，其中包括生理情况和病理情况，比如癫痫。虽然纳米材料易于大量制备，但从实验室到广泛使用还有一段距离，团队还在为探针进一步优化改进而努力。” 杜久林说。

相关论文信息：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c01025