人工智能設(shè)計(jì)的血清素傳感器可以幫助科學(xué)家研究睡眠和心理健康

血清素是一種神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)，在大腦控制我們的思想和感覺(jué)的方式中起著至關(guān)重要的作用。例如，許多抗抑郁藥被設(shè)計(jì)用來(lái)改變神經(jīng)元之間傳遞的血清素信號(hào)。在《細(xì)胞》雜志的一篇文章中，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院資助的研究人員描述了他們?nèi)绾卫孟冗M(jìn)的基因工程技術(shù)將細(xì)菌蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為一種新的研究工具，這種工具可以比現(xiàn)有方法更有效地監(jiān)測(cè)血清素的傳播。臨床前實(shí)驗(yàn)(主要在小鼠中)表明，該傳感器可以檢測(cè)睡眠、恐懼和社交互動(dòng)過(guò)程中大腦血清素水平的細(xì)微實(shí)時(shí)變化，并測(cè)試新型精神活性藥物的有效性。這項(xiàng)研究部分由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院Brain研究通過(guò)高級(jí)創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)(BRAIN)計(jì)劃資助，旨在徹底改變我們?cè)诮】岛图膊l件下對(duì)大腦的認(rèn)識(shí)。

這項(xiàng)研究由加州大學(xué)戴維斯醫(yī)學(xué)院首席研究員田琳博士領(lǐng)導(dǎo)。目前的方法只能檢測(cè)血清素信號(hào)的廣泛變化。在這項(xiàng)研究中，研究人員將營(yíng)養(yǎng)豐富的金星蠅誘捕器樣細(xì)菌蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為一種高度敏感的傳感器，當(dāng)捕獲血清素時(shí)，它會(huì)發(fā)出熒光。此前，弗吉尼亞州阿什頓市霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所珍妮弗研究園(Jennifer Research Park)Loren L . Looger博士實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家利用傳統(tǒng)的基因工程技術(shù)，將細(xì)菌蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿的傳感器。這種被稱為OpuBC的蛋白質(zhì)通常概述了營(yíng)養(yǎng)膽堿，其形狀類似于乙酰膽堿。在這項(xiàng)研究中，田實(shí)驗(yàn)室與羅格爾博士合作。

研究人員使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)幫助計(jì)算機(jī)“思考”大約25萬(wàn)個(gè)新設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)三輪測(cè)試，科學(xué)家們決定了其中一個(gè)。初步實(shí)驗(yàn)表明，這種新型傳感器可以可靠地檢測(cè)大腦中不同水平的血清素，但對(duì)其他神經(jīng)遞質(zhì)或形狀相似的藥物幾乎沒(méi)有反應(yīng)。在小鼠腦切片上的實(shí)驗(yàn)表明，傳感器對(duì)突觸通訊點(diǎn)神經(jīng)元發(fā)出的血清素信號(hào)有反應(yīng)。同時(shí)，在培養(yǎng)皿中的細(xì)胞上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器可以有效監(jiān)測(cè)由藥物引起的這些信號(hào)的變化，包括可卡因、MDMA(也稱為搖頭丸)和幾種常用的抗抑郁藥。

最后，在老鼠身上的實(shí)驗(yàn)表明，這種傳感器可以幫助科學(xué)家研究血清素在更自然條件下的神經(jīng)傳遞。例如，研究人員已經(jīng)見(jiàn)證了清醒時(shí)血清素水平的預(yù)期增加和小鼠入睡時(shí)血清素水平的下降。當(dāng)老鼠最終進(jìn)入更深的快速眼動(dòng)睡眠狀態(tài)時(shí)，他們還發(fā)現(xiàn)下降幅度更大。傳統(tǒng)的血清素監(jiān)測(cè)方法會(huì)忽略這些變化。此外，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)警鈴警告老鼠腳震顫時(shí)，兩個(gè)獨(dú)立的大腦恐懼回路中血清素的水平會(huì)有所不同。在一個(gè)回路-內(nèi)側(cè)前額葉皮層-貝爾觸發(fā)了血清素水平的快速增加，而在另一個(gè)回路-外側(cè)基底杏仁核-遞質(zhì)逐漸增加到較低水平。本著“大腦計(jì)劃”的精神，研究人員計(jì)劃向其他科學(xué)家提供傳感器。他們希望這將有助于研究人員更好地理解血清素在我們?nèi)粘Ｉ詈驮S多精神疾病中的關(guān)鍵作用。

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