近日，*腦科學與智能技術*創(chuàng)新中心(神經(jīng)科學研究所)、上海腦科學與類腦研究中心、神經(jīng)科學重點實驗室杜久林研究組、熊志奇研究組與*上海硅酸鹽研究所施劍林、步文博研究組合作完成了一項研究。該項研究開發(fā)出來了一種可以用近紅外光激發(fā)的新型鉀離子熒光納米探針，利用這一新型納米探針，研究團隊成功監(jiān)測了斑馬魚和小鼠腦中伴隨性神經(jīng)活動的鉀離子濃度變化。相關研究成果可在《科學進展》期刊上查閱。據(jù)了解，鉀離子是人體細胞內和細胞外基質中的主要陽離子，動物體內98%的鉀存在于細胞內。而心肌和神經(jīng)肌肉都需要有相對恒定的鉀離子濃度來維持正常的應激性。當血清鉀過高時，對心肌有抑制作用，可使心跳在舒張期停止，血清鉀過低能使心肌興奮，可使心跳在收縮期停止。血鉀對神經(jīng)肌肉的作用則與心肌正好相反。因此，鉀離子濃度的改變可以從側面反映神經(jīng)活動的異常，其成像可以成為研究神經(jīng)系統(tǒng)功能的新切入口。當前，鉀離子的檢測方法有焰色反應、離子選擇性電位分析法、火焰光度法、原子吸收分光光度法等，但是這些檢測分析方法容易受到其他金屬元素的干擾，或者受限于檢測儀器的相關要求，故而檢測精確度有限。為克服現(xiàn)有技術的不足，達到有效檢測鉀離子濃度狀態(tài)的目的，近些年來市場上推出了專門針對鉀離子檢測用的細胞鉀離子濃度熒光定量檢測試劑盒。該類檢測試劑盒的監(jiān)測原理為，鉀離子敏感性熒光探針與鉀離子結合后，其熒光強度會顯著增強，然后利用熒光分光光度儀來觀察相對熒光峰值的變化，從而達到有效檢測細胞內鉀離子濃度變化的目的。然而，不容忽視的是，現(xiàn)有的鉀離子探針在活組織中容易被吸收和探測而只能應用于大腦淺層，因此只能使用紫外或者可見光來激發(fā)。此外，現(xiàn)有的鉀離子探針普遍具有抗干擾性差、選擇低，難以有效區(qū)分鈉鉀離子，無法實現(xiàn)對鉀離子的特異性監(jiān)測等缺陷。因此，亟需研發(fā)新的鉀離子熒光納米探針，并使用更高穿透力的光束來激發(fā)。在眾多穿透力強的電磁波中，研究人員們終選擇了近紅外光，利用近紅外光來激發(fā)鉀離子熒光探針。據(jù)了解，近紅外光是一種介于可見光(vis)和中紅外光(mir)之間的電磁波。在此次研究過程中，研究人員們精心制備了總直徑為85 nm左右的三層核殼結構的球狀納米探針。值得一提的是，該探針的內核上轉換發(fā)光納米顆?？梢詫⒔t外光轉換成可見光，同時作為中間層鉀離子熒光探針的激發(fā)光。外層2 nm厚的薄膜只允許鉀離子進出納米探針，大大提高了設備的抗干擾能力。為進一步驗證該新型鉀離子熒光納米探針的實用性，研究人員們利用該設備實現(xiàn)了對小鼠偏頭痛模型和斑馬魚癲癇模型大腦中存在的鉀離子濃度的實時動態(tài)監(jiān)測。在近紅外光的激發(fā)下，研究人員從偏頭痛型小鼠大腦中觀察到了鉀離子濃度變化以平面波形式傳播的現(xiàn)象，這一研究發(fā)現(xiàn)為進一步了解皮層擴散性抑制的機制提供了新的技術手段。而在觀察具有癲癇的斑馬魚大腦時則印證了鉀離子擴散在大規(guī)模神經(jīng)活動發(fā)作與傳播過程中的作用機制。綜上，此次科研成果為探究動物大腦神經(jīng)元中的鉀離子的動態(tài)變化提供了新的監(jiān)測方法。這意味著，沿著這一研究方向不斷邁進，未來或許有望解決諸多疑難的神經(jīng)性疾病。