人工智能设计的血清素传感器可以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用来改变神经元之间传递的血清素信号。在《细胞》杂志的一篇文章中，美国国立卫生研究院资助的研究人员描述了他们如何利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，这种工具可以比现有方法更有效地监测血清素的传播。临床前实验(主要在小鼠中)表明，该传感器可以检测睡眠、恐惧和社交互动过程中大脑血清素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Brain研究通过高级创新神经技术(BRAIN)计划资助，旨在彻底改变我们在健康和疾病条件下对大脑的认识。

这项研究由加州大学戴维斯医学院首席研究员田琳博士领导。目前的方法只能检测血清素信号的广泛变化。在这项研究中，研究人员将营养丰富的金星蝇诱捕器样细菌蛋白质转化为一种高度敏感的传感器，当捕获血清素时，它会发出荧光。此前，弗吉尼亚州阿什顿市霍华德休斯医学研究所珍妮弗研究园(Jennifer Research Park)Loren L . Looger博士实验室的科学家利用传统的基因工程技术，将细菌蛋白质转化为神经递质乙酰胆碱的传感器。这种被称为OpuBC的蛋白质通常概述了营养胆碱，其形状类似于乙酰胆碱。在这项研究中，田实验室与罗格尔博士合作。

研究人员使用机器学习算法来帮助计算机“思考”大约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，这种新型传感器可以可靠地检测大脑中不同水平的血清素，但对其他神经递质或形状相似的药物几乎没有反应。在小鼠脑切片上的实验表明，传感器对突触通讯点神经元发出的血清素信号有反应。同时，在培养皿中的细胞上进行的实验表明，该传感器可以有效监测由药物引起的这些信号的变化，包括可卡因、MDMA(也称为摇头丸)和几种常用的抗抑郁药。

最后，在老鼠身上的实验表明，这种传感器可以帮助科学家研究血清素在更自然条件下的神经传递。例如，研究人员已经见证了清醒时血清素水平的预期增加和小鼠入睡时血清素水平的下降。当老鼠最终进入更深的快速眼动睡眠状态时，他们还发现下降幅度更大。传统的血清素监测方法会忽略这些变化。此外，科学家还发现，当警铃警告老鼠脚震颤时，两个独立的大脑恐惧回路中血清素的水平会有所不同。在一个回路-内侧前额叶皮层-贝尔触发了血清素水平的快速增加，而在另一个回路-外侧基底杏仁核-递质逐渐增加到较低水平。本着“大脑计划”的精神，研究人员计划向其他科学家提供传感器。他们希望这将有助于研究人员更好地理解血清素在我们日常生活和许多精神疾病中的关键作用。

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