神经元是通过沿轴突发送电化学信号来相互交流的脑细胞，当神经元即将释放电荷形式的信号时，它允许离子通过离子通道通过其细胞膜，这种离子转移在细胞内外产生电位差，这种电位差称为膜电位。EPFL工程学院(STI)基础生物光子学实验室(LBP)的一组研究人员提出了一种监测膜电位变化的方法，并通过研究神经元细胞膜周围水分子的行为来观察离子通量。研究人员成功地在离体老鼠神经元上测试了他们的方法，研究发表在《自然通讯》上。
没有电极和荧光团
更好地理解神经元的电活动可以帮助我们了解大脑中发生的许多过程。例如，科学家可以观察神经元是活跃的还是静止的、，或者它是否对药物治疗有反应。到目前为止，监测神经元的唯一方法是将荧光素注射到正在研究的大脑部位，或者将电极连接到该部位——但荧光素可能是有毒的，电极可能损害神经元。最近LBP的研究人员开发了一种方法，通过观察水分子和神经膜之间的相互作用来追踪神经元的电活动。LBP主任西尔维•罗克(Sylvie Roke)表示：神经元被水分子包围，在电荷存在的情况下，水分子会改变方向。当膜电位发生变化时，水分子会重新定向——可以观察到这一点。
图片：CC0 Public Domain
在研究中，研究人员通过使神经元受到钾离子快速流入来改变神经元膜电位。这就导致神经元表面的离子通道(负责调节细胞膜电位)打开，让离子通过。然后，研究人员关闭了离子的流动，神经元释放了采集到的离子。为了监测这种活动，研究人员用两束相同频率的激光照射细胞，探测了水化的神经元脂质膜。这些光束由飞秒激光脉冲组成——使用的技术获得了2018年诺贝尔物理学奖——因此，薄膜界面上的水分子产生的光子频率不同，被称为二次谐波光。看到了研究的基本和应用意义，不仅可以帮助我们理解大脑用来发送信息的机制，而且还可以吸引对体外产品测试感兴趣的制药公司，现在已经证明可以同时分析单个神经元或任意数量的神经元。
博科园-科学科普｜研究/来自：洛桑联邦理工学院
参考期刊文献:《Nature Communications》
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