纳米探针，是什么“黑科技”？

我国的科学家做了怎样的设计呢？
科研人员精细设计并制备了具有三层核壳结构的球状纳米探针，总直径为85纳米左右。
其中，稀土元素掺杂的上转换纳米颗粒（UCNPs）是一类近红外光激发、紫外、可见光多重发射的反斯托克斯发光纳米材料。由于其深组织穿透度、低背景荧光、多重发射的特性，已在生物成像与活体诊疗的应用中获得广泛关注。在这次的工作中，研究人员设计和制备了一种基于上转换纳米颗粒的电压敏感探针。
内核的上转换发光纳米颗粒可以将近红外光转换成可见光，正好作为中间层钾离子荧光探针的激发光。外层2纳米厚的薄膜只允许钾离子进出纳米探针，极大地提高了探针对体内其他阳离子（如钠离子，钙离子等）的抗干扰性能，因此这层薄膜赋予探针超高的钾离子选择性。
为了进一步验证上述新型钾离子纳米探针的实用性，科研人员在斑马鱼癫痫模型和小鼠偏头痛模型中运用这款纳米探针检测了大脑中钾离子浓度的动态变化。

以往开发的基于荧光蛋白电压探针的信噪比较低，大都需要平均多次才能得到清晰的感觉反应。更严重的是，此类探针极易荧光淬灭，因此可记录时间较短，严重限制了其实用性。现在，研究人员应用新开发的高灵敏和特异钾离子探针，研究了斑马鱼前脑神经元对食物刺激的反应。
在近红外光激发下，单次施加该食物刺激即可显著增强神经元的荧光信号并可在连续数次刺激下稳定记录。得益于上转换发光纳米颗粒较低程度的淬灭，活体记录时间可长达30分钟，远高于目前的蛋白分子探针。
因此，科学家们观察到、钾离子浓度变化以平面波形式传播的现象，为进一步了解皮层扩散性抑制的机制提供了新技术手段。 
之前的研究表明：哺乳动物在深度睡眠和麻醉状态下，脑状态主要是慢波；在动物趋于清醒时，慢波减弱甚至消失，取代以高频电活动。
在这次试验中，研究人员在小鼠初级体感皮层中注入电压纳米探针并考察了在麻醉不同深度下的神经元活动状况。在深度麻醉状态下，纳米探针发光存在低频振荡现象，提示此状态下脑波以慢波为主。通过机械刺激小鼠尾巴提高其清醒水平后，纳米探针发光的低频振荡先减弱，高频成分相对增强，在10分钟后恢复至原有水平。这一现象说明纳米探针的发光强度可真实反映脑电成分的相应变化。
在癫痫研究领域，有观点认为，细胞外钾离子浓度的升高，不仅是神经元剧烈放电的结果，也是癫痫发作和传播的起因之一。但由于缺乏灵敏而特异的探针，这个观点一直难于验证。
钾离子荧光纳米探针的出现，让研究人员在癫痫斑马鱼模型上，通过双色成像同时记录神经元活动和钾离子浓度变化，发现了在没有癫痫式剧烈神经活动的脑区，也可以观察到钾离子浓度升高，从而支持钾离子扩散在大规模神经活动发作与传播过程中的作用。
这项研究工作同时为设计近红外光激发的其他离子特异性探针提供了新思路，为探究神经元中离子活动开辟了实时动态监测的新方法。

上海脑科学与类脑研究中心（张江实验室）的杜久林等科学家指出，脑科学研究的关键是要实现对神经元集群活动的实时观察并通过特定神经环路的结构追踪及其活动操纵，研究其对脑功能的充分性和必要性，进而在全脑尺度上解析神经环路的功能和结构。

目前，通用的神经电活动观测方法是单通道或多通道微电极。这些方法所能记录到的神经元数量有限，且无法观察到阈下电位的变化。因而，需要从新材料使用、微小化、光电融合、记录与刺激融合等方向着手，研制新型神经电极阵列。
除了用电极直接记录神经电信号，荧光成像方法近年来也被广为使用，例如在神经元内表达对钙离子敏感的荧光蛋白分子，通过检测因电活动而产生的钙离子浓度的变化来描述电活动。这种光学测量法的优点是可同时观测数百个神经元的电活动，缺点是时间分辨率低（约10-1s）。
因此，神经科学界现在高度期望能开发出新一代对细胞膜电位变化敏感、有高信噪比、能分辨单个动作电位（毫秒级）的荧光分子或纳米粒子探针，可以特异性地标记各种类型的神经元，从而实现高时空分辨率、大范围神经元集群电活动的同时检测。
毫无疑问，纳米材料和纳米技术为发展新型的神经电极技术提供了重要机遇。此番推出的新型钾离子纳米探针可感应细胞膜电位变化，发光变化幅度明显优于目前任何一种分子或蛋白类电压敏感探针，是神经科学家和材料学家在脑科学研究领域交叉合作的重大突破。
脑科学是未来若干年自然科学领域国际竞争的焦点。抢占国际制高点的关键是整合交叉学科力量，加速研发新技术并前瞻性地部署未来技术。我们相信，在脑科学的前沿领域，张江还将迸发出更大的能量。

图注：钾离子纳米探针的设计以及感应机理。
(A)钾离子纳米探针的制备过程。上转换发光颗粒NaYF4:Yb/Tm@NaYF4:Yb/Nd 表面连续包裹一层实心二氧化硅和一层介孔二氧化硅。刻蚀实心二氧化硅成留下的空腔结构可装载钾离子荧光指示剂。最后，外表面包裹一层钾离子特异性的薄膜即成钾离子纳米感应探针。
(B) 钾离子纳米探针的感应机理。外层薄膜只允许钾离子进出纳米探针，同时排斥其他阳离子。在近红外光激发下，内核上转换发光颗粒发出的紫外光可作为钾离子荧光指示剂的激发光，从而赋予探针近红外光激发的功能。