麻省理工學院的工程師開發了一種基於MRI的突破性方法來檢測大腦中的生物發光，從而能夠對大腦深部結構進行精確成像，並增強對大腦功能和基因表現的理解。（藝術家的概念。
麻省理工學院開發的一種新型MRI技術可以對大腦深處的生物發光進行詳細成像，從而為腦細胞如何發育和相互交流提供了新的見解。
科學家經常用發光的蛋白質標記細胞，使他們能夠跟蹤腫瘤的生長，或測量細胞分化時發生的基因表現變化。
雖然這種技術在細胞和身體的某些組織中效果很好，但很難將這種技術套用於大腦深處的成像結構，因為光在被檢測到之前散射太多。
麻省理工學院的工程師們現在想出了一種新方法來檢測大腦中的這種光，稱為生物發光：他們設計了大腦的血管來表達一種蛋白質，使它們在光的存在下擴張。然後可以透過磁共振成像（MRI）觀察到這種擴張，使研究人員能夠精確定位光源。
「我們在神經科學以及其他領域面臨的一個眾所周知的問題是，在深層組織中使用光學工具非常困難。我們研究的核心目標之一是提出一種以相當高的分辨率對深層組織中的生物發光分子進行成像的方法，「麻省理工學院生物工程，大腦和認知科學以及核科學與工程教授Alan Jasanoff說。
Jasanoff和他的同事們開發的新技術可以使研究人員比以前更詳細地探索大腦的內部運作。
賈薩諾夫也是麻省理工學院麥戈文腦研究所的副研究員，是這項研究的資深作者，該研究今天（5月10日）發表在 【自然生物醫學工程】 雜誌上。前麻省理工學院博士後Robert Ohlendorf和Nan Li是該論文的主要作者。
一種檢測大腦生物發光的新方法是磁共振成像（MRI）。這項技術由麻省理工學院開發，可以使研究人員比以前更詳細地探索大腦的內部運作。圖為血管在轉導後現在呈現鮮紅色，其基因賦予它們光敏性。圖片來源：由研究人員提供
檢測光
生物發光蛋白存在於許多生物體中，包括水母和螢火蟲。科學家使用這些蛋白質來標記特定的蛋白質或細胞，其發光可以透過光度計檢測到。通常用於此目的的蛋白質之一是熒光素酶，它有多種形式，以不同的顏色發光。
Jasanoff的實驗室專門開發使用MRI對大腦進行成像的新方法，他們希望找到一種方法來檢測大腦深處的熒光素酶。為了實作這一目標，他們想出了一種將大腦血管轉化為光探測器的方法。一種流行的MRI形式透過對大腦中血流的變化進行成像，因此研究人員設計了血管本身，透過擴張來對光做出反應。
「在功能性MRI和其他非侵入性成像技術中，血管是成像對比的主要來源，因此我們認為我們可以透過光敏化血管本身，將這些技術對血管成像的內在能力轉化為成像光的手段，」Jasanoff說。
為了使血管對光敏感，研究人員對它們進行了工程改造，以表達一種名為 Beggiatoa 光活化腺苷酸環化酶（bPAC）的細菌蛋白。當暴露在光線下時，這種酶會產生一種叫做cAMP的分子，它會導致血管擴張。當血管擴張時，它會改變含氧和去氧血紅蛋白的平衡，它們具有不同的磁性。磁性這種變化可以透過MRI檢測到。
BPAC對波長較短的藍光有特異性反應，因此它可以檢測近距離內產生的光。研究人員使用病毒載體將bPAC基因特異性地傳遞到構成血管的平滑肌細胞。當這種載體被註射到大鼠體內時，整個大腦大面積的血管變得對光敏感。
「血管在大腦中形成一個非常密集的網絡。大腦中的每個細胞都在血管的幾十微米範圍內，「Jasanoff說。「我喜歡描述我們的方法的方式是，我們基本上將大腦的脈管系統變成一個三維相機。
一旦血管對光敏感，研究人員就植入了經過工程改造的細胞，如果存在一種叫做CZT的受質，則表達熒光素酶。在大鼠中，研究人員能夠透過MRI對大腦進行成像來檢測熒光素酶，這揭示了擴張的血管。
追蹤大腦的變化
然後，研究人員測試了他們的技術是否可以檢測大腦自身細胞產生的光，如果它們被設計為表達熒光素酶。他們將一種稱為GLuc的熒光素酶的基因傳遞到稱為紋狀體的深部大腦區域的細胞中。當將CZT基質註射到動物體內時，MRI成像揭示了發光的部位。
Jasanoff說，這種技術被研究人員稱為使用血流動力學或BLUsH的生物發光成像，可以以多種方式使用，以幫助科學家更多地了解大腦。
首先，它可以透過將熒光素酶的表達與特定基因聯系起來來繪制基因表現的變化。這可以幫助研究人員觀察基因表現在胚胎發育和細胞分化過程中的變化，或者新記憶形成時的變化。熒光素酶還可用於繪制細胞之間的解剖學連線或揭示細胞如何相互交流。
研究人員現在計劃探索其中一些套用，並調整該技術用於小鼠和其他動物模型。
