Nat. Nanotech.：量子点能直接可视化实时监测大脑的活动吗？

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人类大脑包含大约8亿个神经细胞，从某种意义上说，它是一台复杂的电化学计算机，复杂到它的工作机理我们还有很多并不清楚。神经细胞之间的沟通交流基本上由神经递质分子介导，这可以看作是一个化学过程。而信号在神经细胞内部的传递则是一个电化学过程，细胞膜上Na⁺/K⁺通道活性会发生相应改变，使细胞膜两侧Na⁺和K⁺浓度快速变化，导致膜电位发生变化（图1）。如果能够做到实时监测各部位神经细胞中的电信号就能很容易了解单个神经细胞的活动、细胞之间的信息传递和大脑各部分的功能，就可以深入研究大脑的功能，也就有希望促进临床上对精神分裂、帕金森氏症、抑郁症等疾病的治疗。

图1. 受到刺激之后神经细胞轴突膜内电位的变化。图片来源：Nat. Nanotech.

目前研究大脑活动的技术可分为非侵入式和侵入式。非侵入式主要包括脑电图、脑磁图描记术和磁共振成像。前两种技术具有操作简单和无损伤的特点，时间分辨率达到毫秒级别，但是监测大脑活动时不能提供良好的解剖相关性，空间分辨率较低。磁共振成像技术同样是无损伤，监测大脑活动时能提供良好的解剖相关性。然而，即使是改进过的磁共振成像技术，时间分辨率也只能达到秒的水平。这些技术还远达不到可视化实时研究大脑活动所需要的条件：约10微米的细胞空间分辨率和毫秒级的时间分辨率。

侵入式技术包括使用膜片钳电极直接进行监测，或者通过光学方法检测第二信使（如Ca²⁺）的浓度实现间接监测。前者是利用微电极原位监测，时间分辨率低于毫秒，不过这类方法不能监测亚细胞结构，不能根据信号分辨出细胞种类，不能从宏观上研究整个大脑的活动。此外，微电极需刺破细胞膜，容易造成细胞质的流失，影响细胞的活动。对于后者，利用光学成像反映神经细胞的活动具有很大的优势。以检测Ca²⁺的光学成像为例，正常神经细胞内Ca²⁺的浓度远低于细胞外的浓度。当细胞受到刺激时，细胞膜上的Ca²⁺通道打开，使细胞内Ca²⁺浓度增加10倍以上，此时细胞质内的一些蛋白质与Ca²⁺形成具有荧光的复合物，通过检测荧光的变化可以监测细胞的活动。这种方法能够监测亚细胞结构的活动，也能同时监测多个细胞的活动。但是这一方法的响应时间远大于细胞膜电压的变化时间，不能做到实时监测。图2中是光学法检测Ca²⁺浓度的响应时间与用膜片钳电极法响应时间的对比。

图2. 基于检测Ca²⁺的光学法表征细胞活动的响应时间（上）和膜片钳电极法表征细胞活动的响应时间（下）。图片来自：Nat. Nanotech.

如果想要实现可视化监测神经细胞的电信号变化，需要找到一种对电场敏感的材料，同时还需具有亮度低、毒性小和抗光漂白能力强的特点。近日，来自美国海军研究实验室的Alexander L. Efros和霍华德•休斯医学研究所的Timothy D. Harris等人在Nature Nanotechnology 上发表了一篇观点文章（Perspective），提出利用半导体量子点（quantum dots）的光致发光对近端电场的敏感性，感测活动神经元细胞膜中发生的电压变化，从而实现大脑的实时可视化监测。

量子点在可视化表征神经细胞的电压变化方面具有很多潜在的优点：（1）量子点的尺寸与细胞膜中脂质双分子层的厚度在同一数量级，可以将量子点修饰到某些特定的多肽链上，帮助量子点进入到神经细胞的某些特定区域；（2）量子点尺寸如果不同，用同一种波长的光激发会得到不同的颜色，为检测不同种类的神经细胞提供了可能（图3）；（3）量子点在室温下具有较高的量子效率（80%），制备方法也已经相当成熟；（4）与化学染料相比，量子点具有很强的抗光漂白能力和化学稳定性；（5）量子点具有很强的双光子吸收系数，大概是染料或荧光蛋白的10~1000倍，可以使用近红外光作为激发光，这种光线更容易穿透组织。当然，这些特点还不足以让量子点在检测神经细胞活动方面获得成功，最关键的还是要能灵敏准确地表征神经细胞膜上的电压变化。

图3. 在同一波长激发光下不同尺寸的量子点显示不同的颜色。图片来源：Nat. Nanotech.

再回到上文的图1来看看神经细胞的膜电位变化。静息状态下，神经细胞内膜电位约为-70 mV；当受到刺激之后，Na⁺通道打开，大量Na⁺涌入细胞内，膜电位变为约+50 mV；然后K⁺通道释放K⁺，最终电压回到约-70 mV。电位变化的距离大概为5 nm（脂质双分子层的厚度），电场强度大概在100 kV/cm的级别。这种强度的电场能够直接影响量子点的荧光强度。根据量子限制斯塔克效应（quantum-confined Stark effect），在极化电场作用下半导体的能带发生倾斜，电子-空穴对发生空间分离，波函数交叠量减少，会引起发光效率下降，荧光强度下降，下降程度与电场强度的平方成正比。如图4，作者研究了不同电场对I型量子点和quasi-type II型量子点发光强度的影响。从图4b可以看出，随着电场强度的增加，两种类型量子点的发光强度逐渐下降，其中quasi-type II型量子点的灵敏度更高。从图4c可以看出，开始时电压为-60 mV，此时两种类型量子点的发光强度均为最低，当电压为0 mV时，荧光强度都增加到最大。对于quasi-type II型量子点，当电压高于0 mV时，荧光强度降低。而在I型量子点的检测结果中没有出现，这是因为I型量子点对电场的灵敏度比quasi-type II型量子点的低。这些结果证明量子点在监测神经电流方面具有很大的优势。

图4. 电场对I型量子点（i）和quasi-type II型量子点（ii）荧光强度的影响。图片来源：Nat. Nanotech.

因为脂质双分子层的厚度大概为5 nm，所以量子点的粒径应该小于5 nm，便于进入双分子层内部直接检测电流信号（图5）。本文之所以不用II型量子点（核壳结构）是因为它必须有足够厚的外壳负载电子或者空穴，尺寸不可能达到这么小。

图5. 量子点直接检测电场强度的示意图。图片来源：Nat. Nanotech.

在细胞内加入量子点，肯定会有人想到生物毒性的问题。以在细胞及生物组织中研究较多的含Cd(II)核量子点材料为例，作者发现大量的工作已经在鸟类、小鼠和灵长类动物身上证明此类量子点不会造成明显的生物毒性。

虽然潜力无穷，但目前将该策略付诸实践还依然存在一些挑战：（1）细胞的内吞作用有可能会导致量子点在细胞膜内的停留时间降低；（2）量子点表面的电荷有可能会影响细胞膜的电压；（3）寻找到合适的配体或者多肽链保护量子点到达神经细胞的特定位置也是一项难题。

总之，本文只是从理论上证明了量子点在表征大脑活动方面的潜在应用价值，相关实验证明还有待后人完成。就像作者说的，能真正做到对大脑活动的可视化监测还有很长的路要走。不过，作者也表示，就目前看来，比量子点更好的材料还没有找到。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Evaluating the potential of using quantum dots for monitoring electrical signals in neurons

Nat. Nanotech., 2018, 13, 278–288, DOI: 10.1038/s41565-018-0107-1

（本文由Sunshine供稿）

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