科学家研制出“新纳米探针”助力研究神经活动

钾离子纳米探针设计及传感机制的光源——中国科学院脑科学与智能技术研究中心

4月18日，《科学进展》杂志在网上发表了一篇题为“高灵敏度、高特异性的近红外钾离子成像纳米探针”的研究论文，报道了中国科学院脑科学与智能技术卓越中心(神经科学研究所)、上海脑科学与类脑研究中心、神经科学国家重点实验室杜九林研究组、中国科学院上海硅酸盐研究所熊研究组、史建林与布研究组的合作研究。本研究开发了一种可被近红外光激发的钾荧光纳米探针，并成功监测了斑马鱼和小鼠大脑中伴随神经活动的钾浓度动态变化。

细胞外钾浓度的变化直接反映了神经元电活动的变化，进而影响神经元的兴奋性和神经元之间的突触传递。因此，钾离子浓度的变化可以从另一个侧面反映神经活动的异常。钾离子成像已成为研究神经系统功能及其异常的新方法。在众多监测方法中，荧光成像具有独特的优势。它可以无创地获取细胞外离子浓度动态变化的时空信息，从而在多尺度上揭示脑神经元之间的相互作用。

然而，现有的钾离子探针只能被紫外线或可见光激发，并且只能应用于大脑的表层，因为它容易在活体组织中被吸收和散射。另外，现有的钾离子探针抗干扰性差，选择性低，尤其难以区分钠离子和钾离子，无法实现对钾离子的特异性监测。因此，迫切需要开发一种新型的钾离子荧光探针，这种探针需要具有更高的穿透深度和对钾离子的特异性响应的近红外激发。

为此，研究人员精心设计并制备了三层核壳结构的球形纳米探针(上转换发光纳米粒子@钾离子传感探针@钾离子选择膜)，总直径约为85纳米。内核中的上转换发光纳米粒子可以将近红外光转换成可见光，这正是中间层钾离子荧光探针的激发光。外层2纳米厚的薄膜只允许钾离子进出纳米探针，大大提高了探针对其他阳离子(如钠离子、钙离子等)的抗干扰性能。)在体内。因此，该膜赋予探针极高的钾离子选择性。

为了进一步验证新型钾离子纳米探针的实用性，研究人员利用该纳米探针检测小鼠偏头痛模型和斑马鱼癫痫模型脑内钾离子浓度的动态变化。皮质扩散抑制被认为是偏头痛的原因。除了大规模神经元放电在大脑皮层的广泛分布之外，先前的工作还发现在这个过程中钾离子浓度有很大的变化。

由于制备离子选择电极的困难和只能在很少的位置同时收集信号的事实，钾离子浓度变化的时间和空间规律不清楚。研究人员利用新开发的高灵敏、特异的钾离子探针，观察到钾离子浓度变化在近红外光激发下以平面波形式传播的现象，为进一步了解皮层扩散抑制机制提供了新的技术手段。

在癫痫研究领域，有一种观点认为细胞外钾离子浓度的增加不仅是神经元强烈放电的结果，也是癫痫发作和传播的原因之一。然而，由于缺乏敏感和特异的探针，这一观点一直难以验证。研究人员通过双色成像记录了癫痫斑马鱼模型的神经元活动和钾离子浓度的变化。发现在无癫痫性严重神经活动的脑区域也可观察到钾离子浓度的增加，从而支持钾离子扩散在大规模神经活动开始和传递过程中的作用。

同时，该研究工作为设计其他近红外光激发的离子特异性探针提供了新的思路，为神经元离子活动的实时动态监测开辟了新的途径。

这项工作得到了中国科学技术协会、中国国家自然科学基金、科技部、中国科学院和上海的支持。

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/sciadv.aax9757