科學家常用會發光的蛋白質標記細胞，進而追蹤腫瘤的生長，或測量細胞分化時基因表現的變化。雖然這種技術在細胞和人體的某些組織中效果很好，但很難將這種技術應用於大腦深處結構的成像，因為光線在被探測到之前散射得太多了。

現在，麻省理工學院的工程師們想出了一種新方法來檢測大腦中這種被稱為生物發光的光：他們改造了腦血管，使其表達一種蛋白質，這種蛋白質能讓血管在光的作用下擴張。這種擴張可以透過磁振造影（MRI）觀察到，使研究人員能夠精確定位光源。

「我們在神經科學以及其他領域面臨的一個眾所周知的問題是，在深層組織中使用光學工具非常困難。」麻省理工學院生物工程、腦與認知科學以及核科學與工程學教授艾倫-賈薩諾夫（Alan Jasanoff）說：”我們研究的核心目標之一就是想出一種方法，以相當高的分辨率對深層組織中的生物發光分子進行成像。”

賈薩諾夫和他的同事們開發的新技術可以讓研究人員比以前更詳細地探索大腦的內部運作。

賈薩諾夫同時也是麻省理工學院麥戈文大腦研究所的副研究員，他是這項研究的資深作者，研究報告發表在今天（5月10日）的《自然-生物醫學工程》。麻省理工學院前博士後羅伯特-奧倫多夫（Robert Ohlendorf）和李楠是這篇論文的主要作者。

一種利用磁振造影（MRI）檢測大腦生物發光的新方法。麻省理工學院開發的這項技術可以讓研究人員比以前更詳細地探索大腦的內部運作。圖為血管在轉導了光敏基因後呈現鮮紅色。圖片來源：研究人員提供

生物發光蛋白存在於許多生物體內，包括水母和螢火蟲。科學家利用這些蛋白質標記特定的蛋白質或細胞，然後用發光儀檢測它們的發光。螢光素酶就是常用於此目的的蛋白質之一，它有多種形式，能發出不同顏色的光。

賈薩諾夫的實驗室專門研究利用核磁共振成像技術為大腦成像的新方法，他們希望找到一種方法來檢測大腦深處的螢光素酶。為此，他們想出了一種將腦血管轉化為光探測器的方法。一種流行的核磁共振成像是透過成像大腦中血流的變化來實現的，因此研究人員設計了血管本身，使其透過擴張對光做出反應。

賈薩諾夫說：”血管是功能性核磁共振成像和其他非侵入性成像技術中成像對比度的主要來源，因此我們認為可以透過光敏血管本身，將這些技術成像血管的內在能力轉化為成像光的手段。 “

為了使血管對光敏感，研究人員設計血管表達一種稱為Beggiatoa光活化腺苷酸環化酶（bPAC）的細菌蛋白質。當暴露在光線下時，這種酵素會產生一種稱為cAMP 的分子，導致血管擴張。血管擴張時，會改變含氧血紅素和脫氧血紅素的平衡，而這兩種血紅素具有不同的磁性。這種磁性的變化可以透過核磁共振成像檢測到。

BPAC 專門對波長較短的藍光做出反應，因此它能偵測到近距離內產生的光線。研究人員使用病毒載體將bPAC 的基因特別傳遞給構成血管的平滑肌細胞。將此載體注射到小鼠體內後，整個大腦大面積的血管都變得對光敏感。

「血管在大腦中形成了一個極為密集的網絡。大腦中的每個細胞距離血管都在幾十微米之內，」賈薩諾夫說。 “我喜歡用這樣的方式來描述我們的方法：我們基本上把大腦的血管變成了一台三維照相機”。

一旦血管對光敏感，研究人員就植入經過改造的細胞，如果有一種叫做CZT的底物，這些細胞就會表現出螢光素酶。在大鼠身上，研究人員能夠透過核磁共振成像檢測螢光素酶，從而發現擴張的血管。

研究人員隨後測試了他們的技術能否檢測到大腦自身細胞產生的光，如果這些細胞被設計成能表達螢光素酶的話。他們將一種名為GLuc的螢光素酶基因植入大腦深部區域（即紋狀體）的細胞中。將CZT底物注入動物體內後，核磁共振成像會顯示發光的部位。

賈薩諾夫說，這項技術被研究人員稱為利用血液動力學的生物發光成像技術（BLUsH），可以透過多種方式幫助科學家了解更多有關大腦的資訊。

其一，透過將螢光素酶的表達與特定基因連結起來，可用於繪製基因表現變化圖。這有助於研究人員觀察基因表現在胚胎發育和細胞分化過程或新記憶形成時的變化。螢光素酶也可用於繪製細胞間的解剖連接圖，或揭示細胞如何相互溝通。

研究人員現在計劃探索其中的一些應用，並將該技術用於小鼠和其他動物模型。

編譯來源：ScitechDaily