In vivo multiplex imaging of dynamic neurochemical networks with designed far-red dopamine sensors

用设计的远红多巴胺传感器对动态神经化学网络进行体内多路成像

论文信息：Science，https://www.science.org

主讲人：王睿,2025年7月21日

研究背景：

   神经化学信号（包括神经递质、神经调质和细胞内信号分子）在大脑中动态调节，参与多种脑功能，并与神经疾病的发生发展密切相关。多巴胺（Dopamine, DA）是最重要的神经调质之一，它与乙酰胆碱（Acetylcholine, ACh）、内源性大麻素（Endocannabinoids, eCBs）等其他神经调质以及细胞内信号分子（如环磷酸腺苷，cAMP 和钙离子，Ca²⁺）存在复杂的相互作用。解析这些神经化学网络对于理解行为的神经机制以及相关疾病至关重要。然而，目前的遗传编码传感器主要局限于绿色和红色光谱范围，这限制了对多种神经化学信号的同时实时检测。因此，迫切需要扩展神经调质传感器的光谱范围，尤其是开发远红光和近红外（NIR）波长的传感器（即波长大于650 nm）

研究内容：

 本研究的核心内容是开发一种远红光多巴胺（DA）传感器 HaloDA1.0，并利用该传感器实现对多种神经化学信号的同时监测。研究内容主要包括以下几个方面：

开发远红光DA传感器HaloDA1.0

原理：结合G蛋白偶联受体（GPCR）激活基础（GRAB）策略和化学遗传学方法，利用环状排列的HaloTag（cpHaloTag）与化学染料的结合来开发远红光DA传感器。

优化过程：通过系统优化cpHaloTag的插入位点、连接序列、关键残基等，筛选出对DA响应最强的变体HaloDA1.0。同时，通过化学染料的筛选，确定了适合的远红光染料（如JF646和SiR650）。

性能测试：在体外（培养的神经元和HEK293T细胞）和体内（小鼠和斑马鱼）环境中测试HaloDA1.0的灵敏度、特异性、响应动力学和光谱特性。

多色成像的应用

体外多色成像：在培养的神经元中，将HaloDA1.0与红色荧光5-羟色胺（5-HT）传感器r5-HT1.0和绿色荧光去甲肾上腺素（NE）传感器NE2m共表达，实现了对DA、5-HT和NE的同时监测。

急性小鼠脑切片中的应用：通过病毒介导的HaloDA1.0表达，在小鼠伏隔核（NAc）中实现了对内源性DA释放的检测，并结合其他传感器（如rACh1h和eCB2.0）实现了对DA、ACh和eCB的同时监测。

斑马鱼中的应用：在斑马鱼幼鱼中表达HaloDA1.0，并结合其他传感器（如jRGECO1a和ATP1.0），实现了对DA、ATP和Ca²⁺的同时监测。

活体小鼠中的应用：通过尾静脉注射远红光染料（如SiR650），在活体小鼠中实现了对DA释放的检测，并结合其他工具（如光遗传学工具ChR2）实现了对DA和细胞内Ca²⁺的同时监测。

行为相关信号的监测

小鼠伏隔核中的多色成像：在D1R-Cre小鼠的伏隔核中，同时监测DA、ACh和cAMP的动态变化，并研究了这些信号在不同行为条件下的调节模式，包括自发活动、蔗糖奖励和足部电击。

药物影响的研究：通过给予小鼠可卡因，研究了药物对DA、ACh和cAMP信号动态的影响，揭示了可卡因如何扰乱这些信号的正常相互作用。

解决方案：

  本研究通过开发HaloDA1.0传感器，解决了以下关键问题：

扩展光谱范围：HaloDA1.0的远红光特性使其能够与现有的绿色和红色荧光传感器结合使用，实现多色成像，突破了传统传感器光谱范围的限制。

高灵敏度和特异性：HaloDA1.0对DA具有高灵敏度和特异性，能够快速响应DA的变化，并且不激活下游信号通路，适合用于实时监测。

多色成像能力：通过与不同波长的化学染料结合，HaloDA1.0能够实现对多种神经化学信号的同时监测，为研究复杂的神经网络提供了新的工具。

体内应用的优化：通过优化染料的选择和注射方法，HaloDA1.0在活体小鼠中表现出良好的性能，为体内研究提供了可靠的技术支持。

行为相关信号的解析：通过在活体小鼠中同时监测DA、ACh和cAMP，研究了这些信号在不同行为条件下的动态变化，为理解神经调质在行为调控中的作用提供了新的视角。

总结：

   本研究通过开发HaloDA1.0传感器，提供了一种新的技术手段，用于同时监测多种神经化学信号。这一技术突破不仅扩展了神经调质传感器的光谱范围，还为研究复杂的神经网络和行为调控机制提供了强大的工具。

要点：

   本研究开发了一种远红光多巴胺（DA）传感器 HaloDA1.0，通过结合G蛋白偶联受体（GPCR）激活基础（GRAB）策略和化学遗传学方法，实现了对DA的高灵敏度和特异性检测。HaloDA1.0能够与现有的绿色和红色荧光传感器结合使用，实现多色成像，突破了传统传感器光谱范围的限制。研究者们在多种生物系统中验证了HaloDA1.0的性能，包括培养的神经元、急性小鼠脑切片、斑马鱼和活体小鼠，成功实现了对DA、乙酰胆碱（ACh）、内源性大麻素（eCBs）等多种神经调质的同时监测。此外，该传感器还被用于研究小鼠伏隔核中DA、ACh和环磷酸腺苷（cAMP）的动态变化，揭示了这些信号在不同行为条件下的调节模式，为理解神经调质在行为调控中的作用提供了新的视角。

总结与展望：

  本研究成功开发了远红光多巴胺传感器 HaloDA1.0，通过化学遗传学策略实现了对多巴胺（DA）的高灵敏度、特异性检测，并突破了传统传感器的光谱限制，为多色成像提供了新工具。HaloDA1.0在多种生物模型中表现出色，不仅能够同时监测DA与其他神经调质（如乙酰胆碱、内源性大麻素）的动态变化，还揭示了它们在不同行为条件下的复杂相互作用。这一技术突破为深入理解神经化学网络的功能和神经调质在行为调控中的作用提供了有力支持，也为未来开发更多远红光/近红外神经调质传感器奠定了基础，有望推动神经科学研究向更高维度发展。