多巴胺是神经细胞重要的信号分子。到目前为止，还不能用高时空分辨率精确测定其浓度。现在，一种新的方法使这一切成为可能:来自波宏、G?ttingen和杜伊斯堡的一个研究团队使用了修饰过的碳纳米管，这种纳米管在信使物质多巴胺存在时发光更亮。这些传感器以前所未有的清晰度可视化神经细胞释放多巴胺。塞巴斯蒂安·克鲁斯教授为首的研究人员从物理化学学系Ruhr-Universitat波鸿(摩擦)和詹姆斯·丹尼尔教授尼尔斯·马克斯普朗克研究所的麦片汤多学科科学在哥廷根报告从2022年5月25日在pNAS杂志上。

多巴胺存在时荧光发生变化

神经递质多巴胺控制着大脑的奖励中心。如果这种信号传输不再起作用，就会导致帕金森病等疾病。此外，化学信号会被可卡因等药物改变，并在药物滥用障碍中发挥作用。“然而，到目前为止，还没有一种方法可以同时以高时空分辨率可视化多巴胺信号。”Ruhr探索卓越溶剂集群(RESOLV)和国际神经科学研究生院(IGSN)的成员之一，Ruhr功能接口和生物系统组的负责人Sebastian Kruss解释道。

这就是新型传感器发挥作用的地方。它们是由超薄碳管制成的，比人的头发还要细一万倍。当用可见光照射时，它们会发出波长为1000纳米甚至更多的近红外波段的光。克鲁斯说:“人眼不可见这种范围的光，但它可以穿透到更深层的组织，从而提供比可见光更好、更清晰的图像。”此外，在这个范围内，会使结果失真的背景信号要少得多。

Sebastian Kruss解释说:“我们通过将不同的短核酸序列与碳纳米管结合，从而在碳纳米管与特定分子接触时改变其荧光，从而系统地改变了这一特性。”这就是他的研究小组如何成功地将碳纳米管转变为微小的纳米传感器，这些传感器专门与多巴胺结合，并根据多巴胺浓度或多或少发出强烈的荧光。克鲁斯说:“我们立刻意识到，这种传感器对神经生物学来说会很有趣。”

给健康的神经细胞涂上传感层

为了做到这一点，传感器必须被移动到功能神经元网络附近。来自G?ttingen的马普多学科科学研究所的Sofia Elizarova博士和James Daniel为此开发了细胞培养条件，其中神经细胞保持健康，并可以覆盖一层极薄的传感器。这让研究人员第一次看到了神经元结构中个体多巴胺释放事件，并对多巴胺释放的机制有了深入的了解。

Kruss, Elizarova和Daniel相信这种新的传感器具有巨大的潜力:“它们为多巴胺信号的可塑性和调节提供了新的见解，”Sofia Eizarova说。“从长远来看，它们还可以促进帕金森病等疾病的治疗进展。”此外，目前正在开发更多的传感器，使其他信号分子可见，例如识别病原体。

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A fluorescent nanosensor paint reveals the heterogeneity of dopamine release from neurons at individual release sites