我们的大脑有一种不寻常的适应能力。每天神经元的连接都在不断变化，这取决于我们在日常生活中所经历的事情。我们所制造的记忆，我们所学习的信息和我们所掌握的技能刺激了这一动态过程，导致了神经回路的持久变化。俗话说，经验是最好的老师，但我们的大脑却不是这样。
除了学习和记忆，听音乐或欣赏壮丽景色等感官体验对大脑也有类似的影响。传入的感觉信息会激活皮层的神经元，从而根据我们的经验长时间改变电路。这一过程被称为依赖经验的可塑性，这是我们的大脑因独特的个人生活经历而发展不同的部分原因。
然而，我们的大脑是如何将相对短暂的神经元活动转变为由我们的感官体验驱动的长期变化的呢？关键在于一种叫做活性依赖转录因子的特殊蛋白质。这些因子响应神经元的活动，激活细胞内的基因，有助于将快速进入的信号转化为缓慢而持久的变化。尽管活性依赖转录对大脑发育和长期可塑性具有重要意义，但不可能直接监测转录因子的活性。这主要是由于缺乏可用于研究完整活体大脑中神经元活动和转录因子激活之间相互作用的工具。
在最近发表在Neuron上的一项研究中，佛罗里达州马克斯普朗克神经科学研究所(MPFI)Yasuda实验室的科学家设计并开发了一种新的生物传感器，可以同时研究感觉诱导的神经元活动和转录因子动力学。将双光子钙成像这一特殊技术与双光子荧光寿命成像(2p film)相结合，科学家将首次具备以单细胞分辨率研究活脑中转录因子功能的独特能力。
Yasuda Laboratory的研究员、第一作者Tal Laviv博士解释说：“大脑中转录因子的活动不是静态的，而是一个非常动态的过程，可能在感觉体验后的几个小时到几天内发生。”纸。“研究这些蛋白质的传统方法包括在单一时刻冷冻脑组织。因此，虽然这些方法可以告诉你某个因子是否被激活，但它们并不擅长捕捉经验如何随着时间的推移改变转录因子的活性。我们想开发一种新的方法来研究这个过程实际上是如何在活的大脑中发生的，我们选择研究CREB，是因为它在可塑性、学习和记忆方面的参与性很强。”
MPFI科学家首先创造了一种灵敏而特异的2pFLIM生物传感器，用来报告cAMP反应元件结合蛋白(简称“CREB”)的直接活性。研究小组使用腺相关病毒策略(AAV)包装新产生的传感器，然后在小鼠体感皮层的一组神经元中表达。众所周知，环境变化会激活这个大脑区域，作为回应，内部神经元会调节包括CREB在内的许多信号分子。然而，人们对环境变化后CREB活化的时间动态知之甚少。研究小组使用2 m CREB传感器长时间监测同一神经元组中的CREB活动，同时小鼠经历丰富的环境。丰富的环境使CREB的整体活动显著增加。有趣的是，当小鼠长时间离开富集环境时，CREB活动恢复到正常水平，这表明感官体验可以作为持续活动的驱动力。
接下来，MPFI科学家试图揭示感觉体验和神经元激活如何影响活体大脑的CREB活动。因此，研究团队在小鼠的视觉皮层表达了CREB传感器和神经元活动传感器(钙传感器)。先前的研究表明，当小鼠暂时被剥夺视觉刺激，置于黑暗环境中时，视觉皮层神经元的可塑性增加。在这项新的研究中，视觉皮层的神经元在呈现视觉刺激的黑暗喂养小鼠中成像。钙和CREB在单个细胞中的动力学被长时间同时成像。结果显示了视觉皮层中CREB活动的动态调节：与在正常光/暗条件下饲养的小鼠相比，在暗条件下饲养的小鼠显示出由视觉诱导的CREB水平的显著增加。此外，在黑暗中饲养的小鼠中，CREB活动水平保持至少一天。有趣的是，CREB活动的增加并不是由于单个神经元中钙水平的增加，这表明感觉经验可以很好地调节活体大脑中活动相关转录的敏感性。
这种独特的方法可以在未来广泛应用于许多不同类型的转录因子，它将为揭示依赖于经验可塑性的大脑转录动力学提供前所未有的机会。
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