活体小鼠大脑中基因表达的实时可视化

明尼苏达大学双城分校的一个团队领导的科学家们表示，他们开发了一种新方法，使科学家和工程师能够可视化活体小鼠大脑中的mRNA分子——据报道，这是首次。发表论文的研究人员表示，这项研究揭示了记忆如何在大脑中形成和存储的新见解，并可以为科学家提供有关阿尔茨海默氏症等疾病的新信息。“活体小鼠记忆形成过程中mRNA合成的实时可视化””发表于《美国国家科学院院刊》(PNAS)。

众所周知，mRNA是在形成和存储记忆的过程中产生的，但在细胞水平上研究这一过程的技术一直受到限制。以前的研究经常涉及解剖小鼠以检查它们的大脑。这项新技术为科学家们提供了了解活体小鼠大脑中RNA合成的窗口。

“记忆被认为是在称为记忆痕迹或印迹细胞的神经元群体中编码的。然而，由于难以在体内长时间实时监测这些细胞的动态，人们对它们的动态知之甚少。为了克服这一限制，我们提出了一种基因编码RNA指示剂(GERI)小鼠，用于内源性Arc信使RNA(mRNA)的活体慢性成像，这是记忆痕迹细胞的流行标记，”研究人员写道。

“我们使用GERI实时识别Arc阳性神经元，而不会出现传统方法中与报告蛋白表达相关的延迟。我们发现，海马CA1区的Arc阳性神经元群体在2天内迅速转变，而压后皮质中约4%的神经元在情境恐惧调节和重复记忆检索后始终表达Arc。对在虚拟现实环境中导航的小鼠的GERI和CA1中钙指示剂的双重成像显示，只有在编码和检索过程中表达Arc的神经元群体以上下文特定的方式表现出相对较高的钙活性。

“这种体内RNA成像方法为揭示各种学习和记忆过程背后的神经元群动态提供了可能性。”

“我们对大脑中的记忆仍然知之甚少，”明尼苏达大学电气与计算机工程系副教授、该研究的主要作者HyeYoonPark博士解释道。“众所周知，mRNA合成对于记忆很重要，但在活体大脑中永远无法想象这一点。我们的工作是对该领域的重要贡献。我们现在拥有这项新技术，神经生物学家将来可以将其用于各种不同的实验和记忆测试。”

流程涉及许多关键步骤

该过程涉及基因工程、双光子激发显微镜和优化的图像处理软件。通过对小鼠进行基因改造，使其产生带有绿色荧光蛋白标记的mRNA，研究人员能够了解小鼠大脑何时何地产生ArcmRNA，这是他们正在寻找的特定类型的分子。

因为老鼠还活着，科学家们可以对它进行更长时间的研究。利用这一新过程，研究人员对小鼠进行了两项实验，他们能够在一个多月的时间里实时观察小鼠在形成和存储记忆时神经元在做什么。

从历史上看，神经科学家推测，当记忆形成时，大脑中的某些神经元群会放电，而当那个时刻或事件被记住时，这些相同的细胞会再次放电。然而，在这两项实验中，研究人员发现，每天都会激发不同组的神经元来触发小鼠的记忆。

在小鼠创建这种记忆后的几天内，他们能够在大脑的压后皮层(RSC)区域中找到一小群重叠的细胞，或者每天持续生成ArcmRNA的细胞，该细胞群他们相信它负责记忆的长期存储。

“我们的研究是关于记忆的生成和检索，”帕克说。“如果我们能够了解这是如何发生的，将有助于我们了解阿尔茨海默病和其他与记忆相关的疾病。也许患有阿尔茨海默病的人仍然将记忆储存在某个地方——他们只是无法检索它们。因此，从长远来看，也许这项研究可以帮助我们克服这些疾病。”

首尔国立大学和韩国科学技术研究院的科学家也参与了这项研究。

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