Nature Nanotechnology：凌代舜/陈忠等实现非侵入性实时动态的脑部神经活动监测

实时动态监测神经放电活动用于探究大脑功能是脑科学研究领域的热点与难点，有助于进一步了解癫痫、阿尔茨海默症和帕金森病等神经系统疾病的潜在机制。

细胞膜电位差是神经放电活动的基础。细胞外钾离子浓度[K⁺]_o变化会直接影响膜电位，进而影响神经元的内在兴奋性和神经元间的突触传递。因此，钾离子（K⁺）作为影响膜电位的关键因素，已成为脑功能与疾病研究的主要对象之一。在众多监测方法中，荧光成像具有独特的优势，可以非侵入性地获取细胞外离子浓度动态变化的时空信息，从而多尺度揭示脑部神经元间的相互作用。然而，当动作电位发生时，细胞外K⁺浓度的波动范围非常小，现有的探针技术由于灵敏度低，并且对钠钾等正价离子难以区分，因此无法实现针对钾离子的特异性监测。更为重要的是，尽管对自由活动的生命体进行实时动态的脑部成像是直接分析其行为与神经活动之间关联性的必要条件，但是由于灵敏性和特异性的局限，现有的离子探针通常只能对细胞、脑片或麻醉动物体实现脑部静态成像，无法在活体上实施脑部的实时动态成像。

2020年2月10日，浙江大学凌代舜教授联合首尔大学Taeghwan Hyeon教授、浙江大学陈忠教授等在Nature Nanotechnology杂志上发表了题为“A sensitive and specific nanosensor for monitoring extracellular potassium levels in the brain”的研究。该研究报道了一种通过配体表界面自组装方法制备的超灵敏探针，将“三脚架”配体在荧光染料负载介孔硅纳米粒的表面形成可以筛选出目标离子的自组装薄膜，从而赋予该探针高灵敏性和高特异性。基于该探针，首次在自由活动的生命体中实现了非侵入性的实时动态的脑部神经活动监测。

生物体内的离子泵具有特异性筛选功能，这与其三维结构以及与目标离子形成价键密切相关。受此启发，研究团队通过合成三维的“三脚架”配体，其在荧光染料负载介孔硅纳米粒表面自组装形成对不同离子具有选择性的各种薄膜，制备得到了一种新型离子探针。其中，利用K+选择性薄膜孔中存在的六个羰基氧原子及孔径与K-O键键长相近的特征，实现了探针筛选K⁺的特异性，随之介孔硅纳米粒孔内K⁺离子发生富集，增强了该探针检测K+的灵敏度。此设计的可行性得到了计算机分子动态模拟结果的证实。

图1. K⁺探针设计示意图及分子动态模拟结果

实时动态成像是研究行为与神经活动之间关联的基础。通过响应动力学表征，证实K⁺探针成像无滞后性，可以实现实时动态监测。细胞成像结果显示，K⁺探针可以对单个神经元进行成像，分辨出胞体与轴突在动作电位发生时的细胞外K⁺变化。以癫痫小鼠为模型，进一步研究K⁺探针对自由移动小鼠的脑部成像性能，发现K⁺探针可以通过监测[K⁺]_o变化，实现自由移动癫痫小鼠脑部的荧光成像，从而评价癫痫发作水平，并且可以同时对多个不同脑区进行实时动态监测，精确检测癫痫灶、分析癫痫传播路径，从而促进癫痫诊断与治疗，减少不必要的脑部切除手术。

本研究为离子特异性探针的设计和制备提供了一种表界面配体自组装的新思路，为在自由活动的生命体上探究神经元放电活动开辟了实时动态监测离子浓度变化的新方法，进而开创了一种活体脑部多位点无创成像的新策略，为神经退行性疾病机制、神经冲动与行为关联等脑部奥秘的探索带来了曙光。

图2. K+探针在神经元细胞外环境成像示意图

浙江大学凌代舜教授、首尔大学Taeghwan Hyeon教授与浙江大学陈忠教授为论文的共同通讯，刘佳男博士后、李方园副教授和汪仪特聘研究员为论文的共同第一作者。

Jianan Liu#, Fangyuan Li#, Yi Wang#, Limin Pan#, Peihua Lin, Bo Zhang, Yanrong Zheng, Yingwei Xu, Hongwei Liao, Giho Ko, Fan Fei, Cenglin Xu, Yang Du, Kwangsoo Shin, Dokyoon Kim, Sung-Soo Jang, Hee Jung Chung, He Tian, Qi Wang, Wei Guo, Jwa-Min Nam, Zhong Chen*, Taeghwan Hyeon*, Daishun Ling*, A Sensitive and Specific Nanosensor for Monitoring Extracellular Potassium Levels in the Brain, Nature Nanotechnology, 2020, 15, 321–330.

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41565-020-0634-4