活细胞受到多种影响其行为的传入分子信号的轰击。能够测量这些信号以及细胞如何通过下游分子信号网络对它们做出反应，可以帮助科学家更多地了解细胞如何工作，包括当它们衰老或患病时会发生什么。

目前，这种全面的研究是不可能的，因为当前的细胞成像技术仅限于一次只能对细胞内的几种不同分子类型进行成像。然而，麻省理工学院的研究人员开发了一种替代方法，允许他们一次观察多达七个不同的分子，甚至可能更多。

“生物学中有很多例子，一个事件会引发一系列下游事件，然后导致特定的细胞功能，”Y.EvaTan神经技术教授EdwardBoyden说。“这是如何发生的?这可以说是生物学的基本问题之一，所以我们想知道，你能简单地看着它发生吗?”

新方法利用以不同速率闪烁的绿色或红色荧光分子。通过在几秒钟、几分钟或几小时内对细胞进行成像，然后使用计算算法提取每个荧光信号，可以跟踪每个目标蛋白随时间变化的量。

博伊登也是麻省理工学院生物工程和脑与认知科学教授、霍华德休斯医学研究所研究员、麻省理工学院麦戈文脑研究所和科赫综合癌症研究所的成员，以及K.LisaYang仿生学中心主任是该研究的资深作者，该研究发表在《细胞》杂志上。麻省理工学院博士后钱勇是该论文的第一作者。

荧光信号

用荧光蛋白标记细胞内的分子使研究人员能够深入了解许多细胞分子的功能。此类研究通常使用绿色荧光蛋白(GFP)完成，绿色荧光蛋白在20世纪90年代首次用于成像。从那时起，几种发出其他颜色光的荧光蛋白被开发用于实验用途。

然而，典型的光学显微镜只能区分其中两种或三种颜色，研究人员只能瞥见细胞内发生的整体活动。例如，如果研究人员能够追踪更多数量的标记分子，他们就可以测量脑细胞在学习过程中对不同神经递质的反应，或者研究促使癌细胞转移的信号。

“理想情况下，你将能够实时观察细胞中的信号波动，然后你就可以了解它们之间的关系。这将告诉你细胞如何计算，”博伊登说。“问题是你不能同时观看很多东西。”

2020年，博伊登的实验室开发了一种方法，通过将发光的记者瞄准细胞内的不同位置，同时对细胞内多达5种不同的分子进行成像。这种被称为“空间复用”的方法使研究人员能够区分不同分子的信号，即使它们可能都发出相同颜色的荧光。

在这项新研究中，研究人员采用了不同的方法：他们没有根据物理位置来区分信号，而是创建了随时间变化的荧光信号。该技术依赖于“可切换荧光团”——以特定速率打开和关闭的荧光蛋白。

在这项研究中，博伊登和他的小组成员确定了四种绿色可切换荧光团，然后设计了另外两种，所有这些荧光团都以不同的速率打开和关闭。他们还鉴定了两种以不同速率切换的红色荧光蛋白，并设计了一种额外的红色荧光团。

这些可切换荧光团中的每一个都可用于标记活细胞内不同类型的分子，例如酶、信号蛋白或细胞骨架的一部分。在对细胞进行几分钟、几小时甚至几天的成像后，研究人员使用计算算法从每个荧光团中挑选出特定信号，类似于人耳如何挑选出不同频率的声音。

“在交响乐团中，有高音乐器，如长笛，也有低音乐器，如大号。中间是小号等乐器。它们都有不同的声音，我们的耳朵将它们分类，”博伊登说。

研究人员用来分析荧光团信号的数学技术被称为线性分解。这种方法可以提取不同的荧光团信号，类似于人耳如何使用称为傅里叶变换的数学模型从一段音乐中提取不同的音高。

一旦分析完成，研究人员就可以看到在整个成像期间细胞中发现每个荧光标记分子的时间和地点。成像本身可以用简单的光学显微镜完成，不需要专门的设备。

生物现象

在这项研究中，研究人员通过标记哺乳动物细胞中参与细胞分裂周期的六种不同分子来展示他们的方法。这使他们能够识别细胞周期蛋白依赖性激酶的水平如何随着细胞在细胞周期中的进展而变化的模式。

研究人员还表明，他们可以标记其他类型的激酶，这些激酶几乎参与细胞信号传导的各个方面，以及细胞结构和细胞器，例如细胞骨架和线粒体。除了使用在实验室培养皿中生长的哺乳动物细胞进行的实验之外，研究人员还表明这项技术可以在斑马鱼幼虫的大脑中发挥作用。

研究人员表示，这种方法可用于观察细胞如何响应任何类型的输入，例如营养物质、免疫系统因子、激素或神经递质。它还可用于研究细胞如何响应基因表达或基因突变的变化。所有这些因素在生长、衰老、癌症、神经退行性变和记忆形成等生物现象中都发挥着重要作用。

博伊登说：“你可以认为所有这些现象代表了一类一般的生物问题，其中一些短期事件——比如吃某种营养物质、学习某种东西或感染——会产生长期变化。”

除了进行这些类型的研究之外，博伊登的实验室还致力于扩展可切换荧光团的种类，以便他们可以研究细胞内更多的信号。他们还希望对该系统进行改造，以便将其用于小鼠模型。

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