随着科学家称人类的大脑有着惊人的860亿个神经元的家园，每个细胞织带在每个可能的方向都有几个联接，形成了一个控制人类思想、意识、行为的超级巨大的蜂窝网络。深入研究神经元，也已经成为科学家们探索大脑奥秘的重要手段。
传统了解神经元电信号活动的方法是离体或在体电生理记录法，到后来发展使用钙离子荧光成像技术，科学家们仍在探索更优的方法去了解这未知的“脑”世界。
电生理记录是用来检测神经元电信号变化最直接的手段，其优势是具有非常精确的时间分辨率，其缺点是不仅会对神经系统造成较大损伤，同时针对群体活动难以实现对大量神经元同时检测。
而钙离子荧光成像技术基本原理是用荧光探针标记样本中的钙离子,根据样本中的荧光探针特性单色光源发出单色光,诱发出荧光。然后根据传感器检测到的荧光特性即可分析样本中的钙离子浓度，这也是近年来检测群体神经元活动的主要手段之一。
但钙离子成像的时间分辨率与电生理记录相比较差，同时很难推断出与之对应的神经元动作电位的频率和数量，钙离子的荧光信号也只能反应出动作电位，无法反映出膜电位变化。
基于这些难点，为了更好的了解神经元的电信号变化，实现对更大范围群体神经元电信号变化的高时间分辨率检测，专家们将目标定在了对细胞膜电位变化敏感的电压荧光探针。
目前使用的大部分荧光电压探针一般是利用紫外光或者可见光来激发的，而活体组织对紫外和可见光具有很强的吸收和散射作用，导致其极为有限的穿透深度和空间分辨率，因此这种探针只能用来检测大脑浅层的电信号。而生物活体组织对红外光（750 nm - 1000 nm）的吸收和散射显著降低，并且几乎无生物体自发荧光干扰，具有更高的组织穿透深度和空间分辨率，以及更高的信噪比，因此使用红外光激发，有助于更深层了解大脑的“奥秘”。
新型“武器”问世
2020年4月8日，可实现对神经元膜电位的变化进行检测的新型荧光电压探针问世。此新型“武器”是由中科院神经科学研究所与中科院上海硅酸盐研究所共同研发出的一种可用近红外激发并对电压更敏感的新型发光纳米探针，并用它成功检测了斑马鱼前脑神经元对食物刺激的反应，以及小鼠初级体感皮层在不同麻醉深度的神经元阈下膜电位活动。
这种新型的探针基于稀土元素掺杂的上转换荧光纳米颗粒（UCNPs），利用其与六硝基二苯胺（DPA）之间的荧光共振能量转移（FRET）原理来实现对神经元膜电位的变化的检测。
▲电压纳米探针原理示意 (Liu et. al.,2020)
研究人员首先将UCNPs固定在细胞膜上，然后将DPA嵌入细胞膜磷脂双分子层。在细胞静息状态下，带负电荷的DPA在细胞膜外侧富集，UCNPs与DPA之间距离在10nm以内，形成发光共振能量转移效应（FRET），UCNPs发光被DPA吸收，检测到的光信号较弱。当细胞去极化后，DPA在电场作用下于细胞膜内侧富集，UCNPs与DPA之间距离超过10nm，发光共振能量转移效应消失，从而恢复了UCNPs的发光。
坚实后盾：Prime 95B
神经元电信号的变化较快，时间一般只有1-2ms，而荧光探针的荧光信号又相对较微弱。因此，想要检测到荧光共振能量转移（FRET）这种微弱的信号，需要设备具有较高灵敏度和高帧率。在这一研究中心，经过重重筛选，最后科学家们选择了Teledyne Photometrics背照式 sCMOS 相机 Prime 95B。
▲超高灵敏度科研级sCMOS相机—Prime 95B
Prime 95B 科学级sCMOS相机采用95%QE的背照式芯片、11μm大像元尺寸，保证了绝对的高灵敏度；可靠的制冷腔体在配合水冷情况下实现-25℃制冷，进一步抑制了暗场噪声，最终提高图像信噪比；配合PrimeLocate超分辨采集提供每帧动态计算和传输500个分子，确保了有效目标清晰成像外更进一步提升帧率；最后PrimeEnhance图像处理提升3-5倍的动态范围、降低本地噪声，采集优质图像用于数据分析。
▲电压荧光探针检测HEK293细胞膜电位变化，A：电压荧光探针标记的HEK293细胞在100mV去极化脉冲刺激下的荧光信号变化伪彩图像。B：电压荧光探针对不同频率去极化脉冲（黑）的响应（红）C: B中的响应汇总 (Liu et. al.,2020)
脑科学作为当前科学领域最热门和最前沿的学科，势必将在未来几十年内得到长远的发展，这与新型研究工具和技术的研究密不可分。Teledyne Photometrics 高端 sCMOS 相机作为坚强“后盾”，也将继续为最前沿的科学研究提供有力支持！
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