生物工程學 神經科學 跨領域生物科技

更精確的使用溫度來控制神經活動

對於研究神經科學的科學家來說,能有一種工具可以在自由行為的動物中,快速且準確地改變特定神經元的活性,並觀察其神經元活性變化帶來的行為改變,是件夢寐以求的事。過去在果蠅 (Drosophila melanogaster)上就已經開發出藉由溫度改變,抑制或活化特定神經元的技術。然而這技術最大的問題在於時間的解析度較差,沒有辦法迅速達成活化或抑制神經元的目的。目前改進時間解析度方式,則以紅外線為控溫手段,但這也面臨到要精確地將紅外線打到特定位置,必須要將動物固定,無法讓其自由移動,這也限制了行為研究的範圍。由 Andrew D Straw 團隊發表在 Nature Methods 的文章,發展出新的儀器- FlyMAD(the fly mind altering device),能有效地克服溫度控制上時間解析度差與使用紅外線必須要固定果蠅難處。

在此設計中,果蠅可自由地廣角鏡頭下方空間約 9 cm 直徑的圓型空間移動,廣角鏡頭可即時捕捉果蠅的活動,並且由程式運算控制紅外線光束,同步打到果蠅上,造成溫度改變。結果發現當果蠅接受到紅外線時,在數秒鐘之內,溫度明顯有增幅的情形。而另一設置的 TTM 相機可同時追蹤及分析果蠅的飛行行為,亦可輔助果蠅定位,提高紅外線的精確度。這套系統,配合特定的質體表現離子通道蛋白質在神經元中,就能達到即時抑制或活化特定神經元的功能。為研究特定神經元在一項行為中所扮演的角色為何,提供一項新的利器。

 

圖 a 為顯示 FlyMAD 的構造圖,圖 e 為接受到紅外線果蠅的溫度變化情形。圖片來源:http://goo.gl/b2xhOU

資料來源:Bath, D. E., Stowers, J. R., Hörmann, D., Poehlmann, A., Dickson, B. J., & Straw, A. D. (2014). FlyMAD: rapid thermogenetic control of neuronal activity in freely walking Drosophila. Nature Methods11(7), 756-762. doi:10.1038/nmeth.2973

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