生物光子检测成像技术在神经科学领域上的应用

生物光子检测成像技术在神经科学领域上的应用

郝怡菲孙燕王卓柴唯泰韩争荣戴甲培通讯作者

郝怡菲孙燕王卓柴唯泰韩争荣戴甲培通讯作者

中南民族大学武汉神经科学与神经工程研究所430074

【摘要】由于研究技术的限制，生物光子与脑功能的关系一直停留在理论推测上。通过研发出“超弱生物光子成像系统”（UBIS）等技术，我们最先发现并提出了神经回路中存在生物光子传递的新概念，并且揭示了生物光子传递与大脑的高级功能（如智力和意识等）有关。

【关键词】生物光子传递；超弱生物光子成像系统；脑功能

1.生物光子概述

生物光子简称生物超弱发光（UPE），是生物体固有的一种发光现象，广泛存在于自然界各种动植物和微生物中，强度仅为几百个光子/（cm2·s），我们通常所讲的生物自发光即指于此[1]。与生物自发光相对应的是诱发光，是生物体受到外界光源激发或其他非生理理化因子刺激后辐射出来的光子，也称为延迟发光或诱发荧光[2]。与生物光子不同，延迟发光或诱发荧光具有特征性的衰减规律。

目前对生物光子的研究主要集中在应用方面，涉及到食品安全、疾病诊断、环境监测等诸多领域，但由于对生物光子与生物体的病理机制的关系了解得不深入，而且受到检测和分析技术的限制，这一研究领域的进展并不是十分理想。

2.生物光子的检测手段

由于生物光子的辐射强度非常弱，而且通过生物细胞、组织或器官辐射出来的生物光子并不完全反映细胞内的真实情况，因此，对生物光子的检测和分析技术一直存在困难，发展缓慢。到目前为止，生物光子检测方法和技术主要分为两大类，第一类是以光致化学反应为基本原理的检测技术，如我们实验室使用硝酸银的光致银沉淀的原理研发出的“原位生物光子自显影”技术，能检测生物光子在生物纤维上的传递[3]，但这种技术有明显的应用局限性。另一类是使用光电转换的物理原理开发出的光电倍增管及系列光子检测器件作为基本的检测方法。光电倍增管发明后不久意大利的科学家就使用这一新技术首先直接证明生物光子的存在[4]。单个的光电倍增管只能实现一维生物光子直接计数，无法获知生物光子具体的空间分布，而目前广泛应用在多种荧光成像系统的阵列光电倍增管虽然可以实现光子的二维成像，但由于背景信号太高，不能实现生物光子的检测。直到上世纪九十年对电荷耦合元件（CCD）的技术改进，特别是制冷CCD的出现才使二维成像检测生物光子成为可能，但仍然存在检测技术瓶颈，信噪比太低，检测到的结果反映的生物学意义不肯定。电子倍增CCD（EMCCD）的出现给这一研究领域带来了新的希望。EMCCD具有两个独特的优势，最大可达到1200的增益和超低温制冷（可达到-100度），显著提高对生物光子检测的信噪比。在较高量子效率的范围内，理论上可检测单光子信号。本实验室在过去几年时间内，通过反复的研制和测试，研发出应用EMCCD来检测生物光子的成像系统——超弱生物光子成像系统（UBIS），能非常灵敏地检测不同组织的生物光子，特别是神经组织如脑片和视网膜等[5，6]，也能分析生物光子辐射的光谱特征[7，8]。

3.生物光子检测技术在神经科学研究上的应用

在过去的几年时间内，我们研究所的研究人员在生物光子与脑功能的研究上做了一系列的研究工作。运用“原位生物光子自显影”技术，孙燕等发现生物光子能在感觉和运动神经纤维上传导，而局部麻醉剂普鲁卡因和代谢抑制剂D-2-脱氧葡萄糖和叠氮钠能将其阻断[3]，提示神经纤维可以传递生物光子，与“光纤”类似。随后，通过研发的UBIS成像系统，汤仁东等发现脑内最丰富的兴奋性递质谷氨酸可以显著诱导小鼠脑片的生物光子活动，据此提出了神经信号生物光子传递的新概念[5]。在此基础上王卓等比较了谷氨酸诱导不同物种脑片的生物光子活动的光谱差异，结果发现从动物到人（依次为牛蛙、小鼠、鸡、猪、猕猴和人）出现了光谱红移的现象，与系统进化树一致。这为解释人类智力进化和大脑高级功能提供新的思路[7]。李泽华等阐明了视网膜暗噪声的起源与视网膜生物光子的活动有关，结束了几十年来对这一生物学现象的理论和实验争论[6]。最近，柴唯泰和韩争荣等探讨了生物光子与意识的关系，发现去甲肾上腺素、多巴胺、乙酰胆碱、5-羟色胺和γ-氨基丁酸（GABA）等经典的神经递质对谷氨酸诱导生物光子的活动和传递起正向增强（乙酰胆碱、多巴胺、去甲肾上腺素和GABA介导）和负向减弱（5-羟色胺介导）作用[9]。此外，全麻醉剂异丙酚对谷氨酸和正向增强神经递质诱导的生物光子的活动和传递起负向调节作用[9]，表明不同神经递质的协同作用导致的生物光子活动和传递可能在意识的起源和意识状态的转换上发挥了重要作用并提出了“光量子脑”新概论。这些研究发现表明，生物光子可能在神经信息的传递中扮演了重要角色，起到神经信号媒介的作用[10]，这对于认识脑的功能提供了新的思路，但仍然有许多不能回答的问题，例如，生物光子活动与生物电活动的确切关系如何？又如何实现跨突触传递？因此，统一生物光子传递、生物电传递和化学传递对于我们最终解析大脑的功能可能具有重要的意义。

参考文献：

[1]DevarajB，UsaM，InabaH.Biophotons：ultraweaklightemissionfromlivingsystems[J].CurrentOpinioninSolidStateandMaterialsScience，1997，2（2）：188-193.

[2]PoppFA，YanY.Delayedluminescenceofbiologicalsystemsintermsofcoherentstates[J].PhysicsLettersA，2002，293（1-2）：93-97.

[3]SunY，WangC，DaiJ.Biophotonsasneuralcommunicationsignalsdemonstratedbyinsitubiophotonautography[J].Photochemical&PhotobiologicalSciences.2010，9（3）：315-322.

[4]ColliL，FacchiniU，GuidottiG，etal.Furthermeasurementsonthebioluminescenceoftheseedlings[J].Experientia，1955，11（12）：479-481.

[5]TangR，DaiJ.Spatiotemporalimagingofglutamate-inducedbiophotonicactivitiesandtransmissioninneuralcircuits[J].PlosOne，2014，9（9）：e85643.

[6]LiZ，DaiJ.BiophotonsContributetoRetinalDarkNoise.NeurosciBull.2016Jun；32（3）：246-52.

[7]WangZ，WangN，LiZ，etal.Humanhighintelligenceisinvolvedinspectralredshiftofbiophotonicactivitiesinthebrain[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica，2016，113（31）：8753.

[8]DaiJ，WangZ，LiZ，etal.ReplytoSalarietal.：Towardunderstandingthedeepmechanismsregardingthebiophotonsrelatedtohumanintelligence.[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica，2016，113（38）：201613416.

[9]ChaiW，HanZ，WangZ，etal.BiophotonicActivityandTransmissionMediatedbyMutualActionsofNeurotransmittersareInvolvedintheOriginandAlteredStatesofConsciousness[J].NeuroscienceBulletin，2018.

[10]TangR，DaiJ.Biophotonsignaltransmissionandprocessinginthebrain.JPhotochemPhotobiolB.2014Oct5；139：71-5.

*有关研究得到了国家自然科学基金面上项目（31070961）、湖北省科技支撑计划科研条件和创新项目（2014BEC086）、中南民族大学校团队（XTZ15014）的资助。