本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
研究大脑有很多挑战，但最大的挑战之一是很难看到它。除了在你的头骨内部之外，大脑使用的许多电信号和化学信号是肉眼无法看到的。
我们有办法观察神经元以及它们如何传递信息。例如，要记录单个神经元的电信号，你可以用一个微小的电极刺穿它，以便进入膜内（电生理学）。然后你可以刺激神经元放电，或者记录它自发放电。对于像光遗传学这样的技术，你可以在神经元中插入一个基因，使其在光照下放电（或不放电）。当你照射光线时，你可以让神经元放电。所以你可以让一个神经元放电，或者看到一个神经元放电。使用像伏安法这样的技术，我们可以看到神经递质，即化学物质，当它们从神经元中释放出来并作为信号发送到其他神经元时。这些技术在理解神经元及其工作原理方面取得了巨大进展。
但是...你一次只能对少数神经元这样做。这就成了一个问题，因为大脑不是一次一个神经元地工作的。相反，神经元组织成网络。一个神经元放电，影响到更多的神经元，所有这些神经元都会以不同的方式反应，这取决于它们接收到的输入和时间。通常，许多神经元必须放电才能得到结果，通常是单一的特定神经元模式。理想的技术是我们可以实时地看到神经元自发地放电，然后看到这些信号去哪里，从而真正看到一个网络在运作。而且我们可以看到它...而不用先取出大脑。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑支持我们屡获殊荣的新闻报道，方式是 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关当今塑造我们世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
看起来这种技术可能已经出现了。
曹等人。“完整神经回路中的基因靶向光学电生理学”《细胞》，2013年。
（图4B）
当一个神经元“放电”时，它会经历一种称为动作电位的过程，这是一种沿着膜传播的电压变化波，直到到达突触。在突触处，电压的变化触发神经传递，其中化学信号从一个神经元释放出来，然后刺激其他神经元上的受体。
这种称为 Arclight 的新技术，是基因编码电压指示剂 (GEVI) 的最新技术，你将一个基因插入你的生物体，该基因附着在荧光指示剂上。基因本身对细胞的电压敏感。因此，当动作电位发生，并且神经元的电压发生变化时，电压敏感指示剂会激活附着在其上的荧光蛋白。神经元的电压发生变化...神经元本身会发光*。
这意味着你可以将这些 GEVI 插入一系列神经元...然后观察神经元放电。作为概念验证，曹和他的团队，耶鲁大学的 Nitabach 实验室，将这些 GEVI 放入果蝇的昼夜节律神经元中。
（图6A）
在上面你可以看到早上（红色）和晚上（黑色）荧光的变化，当苍蝇醒来和入睡时。他们还将 GEVI 放入嗅觉（气味）系统中，并将苍蝇暴露在各种化学气味中。他们能够观察到神经元对某些气味的反应比其他气味更强烈。
现在，这并不是第一个荧光传感器。关于钙传感器已经做了很多伟大的工作，它可以通过测量钙的量来测量细胞活动。钙传感器可以一次测量数万个细胞，是一个非常有价值的工具。但钙是细胞活动的间接指标，并且并非每次神经元电位变化都会出现钙信号（例如，你不会从抑制性信号中获得钙）。Arclight 的优势在于直接测量膜电位。
当然，其他技术，如电生理学，也可以直接测量膜电位，但它们无法在整个细胞中进行。如果你观看此 Arclight 运行中的视频，你将看到膜电位在整个细胞中发生变化。当然，Arclight 实际上无法确定膜电位，但它的优点是非侵入性的（你确实需要插入一个基因，但你不需要用电极刺穿细胞膜）。
该实验室希望进一步改进 Arclight，使其更加灵敏（目前信噪比可能很困难）。它还可以与其他技术结合使用，例如光遗传学。“光遗传学是指使用光来*操纵*神经元膜电位，而 ArcLight 是一种使用光来*测量*神经元膜电位的方法，”Mike Nitabach 说。“所以它们是同一枚硬币的两面，在实验中一起部署它们的前景将允许对神经回路进行完全的光学闭环控制。”
最好的部分是什么？Arclight 技术已经可供其他科学家使用。cDNA 可从 Addgene 获得，苍蝇也可获得！Nitabach 实验室很乐意分享该技术的知识，并且很乐意帮助任何想要参与该技术的科学家获得试剂。目前，它在果蝇等已经具有相对透明大脑的生物体中效果最好，但该实验室已经在研究小鼠神经元。该技术的意义已经非常巨大。从苍蝇网络到小鼠网络，从小鼠网络，谁知道我们会走到哪里？
*请注意，在该视频中，由 Nitabach 实验室提供，荧光的颜色映射已反转。通常，较高的电压（和神经元放电）会使该技术的荧光减少。这已被伪彩色化，因此较高的电压会增加荧光。更容易查看。
**注意：Ed Yong 也对新技术进行了出色的报道。