AI设计的血清素传感器可帮助科学家研究睡眠和心理健康

血清素是一种神经化学物质，在大脑控制我们的思想和感觉的方式中起着至关重要的作用。例如，许多抗抑郁药被设计为改变在神经元之间发送的5-羟色胺信号。在《细胞》杂志上，由美国国立卫生研究院资助的研究人员在一篇文章中描述了他们如何使用先进的基因工程技术将细菌蛋白质转化为一种新的研究工具，该工具可以比现有方法更有效地监测5-羟色胺的传播。

由NIH BRAIN Initiative资助的科学家利用人工智能帮助重新设计了一种营养捕捉剂，将维纳斯捕蝇器状的细菌蛋白重新设计成高度敏感的血清素传感器。当小鼠在睡眠和清醒的不同阶段之间转换时，该传感器首次捕获了脑中5-羟色胺水平的细微实时变化。田实验室 图片提供：加州大学戴维斯分校医学院。

临床前实验(主要是在小鼠中)表明，该传感器可以检测睡眠，恐惧和社交互动过程中大脑5-羟色胺水平的细微实时变化，并测试新型精神活性药物的有效性。这项研究部分由美国国立卫生研究院的大脑研究通过先进的创新神经技术(BRAIN)计划资助， 该计划旨在彻底改变我们在健康和疾病条件下对大脑的理解。

这项研究由加州大学戴维斯分校医学院首席研究员林田博士的研究人员领导。当前的方法只能检测5-羟色胺信号传导的广泛变化。在这项研究中，研究人员将营养丰富的维纳斯捕蝇器状细菌蛋白转化为高度敏感的传感器，当捕获5-羟色胺时会发出荧光。

此前，弗吉尼亚州阿什本市霍华德·休斯医学研究所珍妮莉亚研究园区的Loren L. Looger博士实验室的科学家使用传统的基因工程技术将细菌蛋白转化为神经递质乙酰胆碱的传感器。这种称为OpuBC的蛋白质通常会勾勒出营养胆碱，其形状类似于乙酰胆碱。在这项研究中，Tian实验室与Looger博士的团队以及加利福尼亚州帕萨迪纳市Caltech的Viviana Gradinaru博士实验室合作，表明他们需要额外的人工智能帮助才能将OpuBC完全重新设计为血清素捕获剂。

研究人员使用机器学习算法来帮助计算机“思考” 25万个新设计。经过三轮测试，科学家们决定了其中一个。初步实验表明，这种新传感器可以可靠地检测出大脑中不同水平的血清素，而对其他神经递质或形状相似的药物几乎没有反应。在老鼠脑切片上进行的实验表明，该传感器对突触通讯点神经元之间发送的血清素信号有反应。同时，对皮氏培养皿中细胞的实验表明，该传感器可以有效监测药物引起的这些信号的变化，这些药物包括可卡因，MDMA(也称为摇头丸)和几种常用的抗抑郁药。

最后，在小鼠中进行的实验表明，该传感器可以帮助科学家研究更自然条件下的血清素神经传递。例如，研究人员目睹了清醒时5-羟色胺水平的预期升高，以及当小鼠入睡时血清素水平的下降。当小鼠最终进入更深的REM睡眠状态时，他们还发现跌幅更大。传统的5-羟色胺监测方法会忽略这些变化。

此外，科学家还发现，当警铃警告老鼠脚部震颤时，在两个独立的大脑恐惧回路中，血清素水平会有所不同。在一个回路中，即前额叶内侧皮层，钟声触发血清素水平快速升高，而在另一个回路中，即基底外侧杏仁核，发射器逐渐升高至较低水平。本着“大脑计划”的精神，研究人员计划将这种传感器提供给其他科学家。他们希望这将有助于研究人员更好地了解5-羟色胺在我们的日常生活和许多精神疾病中的关键作用。

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