绘制思维地图：利用HaloTag®配基实现突触可塑性的活体成像
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大脑持续重塑神经连接，精细调控着我们的思维、学习与记忆。然而在神经科学领域，如何捕捉转瞬即逝的分子变化——无论是在单个突触层面还是跨全脑区域——始终是重大挑战。随着HaloTag®荧光染料技术的突破，研究者如今能以惊人的清晰度和特异性，观测活体大脑中的蛋白质动态。
01
神经过程成像的挑战
解析AMPA受体（大脑主要兴奋性谷氨酸受体）和PSD-95（兴奋性突触支架蛋白）等蛋白质在神经元内的迁移、聚集与降解，对揭示记忆学习机制至关重要。但传统成像方法在以下应用领域存在显著局限：
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解析组织深处的突触活动
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长期监测蛋白质周转过程
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建立分子变化与行为结果的关联
基于HaloTag®的脉冲追踪标记法结合Janelia Fluor®配基为此提供了突破性解决方案。通过将基因标记与高生物利用度、光谱特征独特的荧光染料相结合，研究者能实时观测活体大脑中突触级精度的蛋白质动态。本文将重点介绍数项最新研究成果，展示Janelia Fluor®染料的创新应用。
02
EPSILON技术：
观测突触形成记忆的动态过程
在《自然·神经科学》近期发表的一项研究中，研究人员开发了一种名为"神经元细胞外蛋白表面标记技术"（Extracellular Protein Surface Labeling in Neurons, EPSILON）的新方法——该技术能够在活体小鼠中追踪AMPA受体（AMPAR）的胞吐作用及细胞膜受体插入过程¹。突触上的AMPA受体水平直接影响神经元通讯强度——神经元通讯这一关键过程在学习与记忆形成中发生动态变化，通常被称为长时程增强（LTP）。传统监测AMPAR动态的方法面临多重挑战，尚无技术能同时定位脑区位置、时间窗口和特定神经元。为追踪新插入的受体，研究者将GluA1亚基与HaloTag®融合，采用两种膜不通透染料进行顺序标记：首先标记已存在于细胞表面的受体，随后在AMPAR胞吐后标记新暴露的受体。通过不同颜色标记，他们成功捕捉到记忆形成过程中突触增强的"快照"。
基于此技术突破，研究者进一步通过情境恐惧条件反射行为模型探索记忆形成机制。该模型中，小鼠学会将特定环境与轻度足部电击相关联，当再次进入该环境时，会表现出条件性冻结反应——这是衡量习得性恐惧的常用指标。为追踪参与记忆形成的海马CA1细胞激活情况，他们监测神经元活动标志物FOS基因的表达。EPSILON技术在此模型中揭示了以下发现：
⦁ AMPA受体胞吐可追踪记忆相关神经元活动——与记忆形成过程中CA1神经元的cFos表达和突触水平连接的加强或增强之间的关系存在强相关性。
⦁ 突触可塑性并非均匀分布；它呈现空间分布模式，更倾向于靠近胞体和神经元基部的区域（近胞体与基底突触），而非树突分支远端（顶端与远端树突棘）。
⦁ 增强的树突棘（即强化突触）在神经元特定部位形成簇状聚集，产生可塑性的"热点"和"静默"树突段。这表明记忆编码可能在选定的树突分支内空间集中，而非均匀分布。
该技术不仅以单突触精度可视化学习相关可塑性，更建立了即刻早期基因表达与突触变化的分子关联。
03
DELTA：
绘制全脑范围的蛋白质周转图谱
当EPSILON聚焦微观动态时，DELTA则提供全景视角——同期发表于《自然·神经科学》的另一篇论文实现了全脑尺度蛋白质周转的可视化。研究者利用HaloTag®基因敲入小鼠与光谱特性分明的Janelia Fluor® HaloTag®配基，通过突触蛋白的脉冲追踪标记法开发出DELTA（Dye Estimation of the Lifetime of proTeins in the brAin）技术，用于捕获特定突触蛋白在被替换前的存续时长²。
脉冲追踪标记法是一种通过顺序染料标记来追踪新旧蛋白的方法。首次染料配基输注标记的蛋白群体称为“脉冲”（pulse），第二次染料配基输注标记的新合成或转运蛋白群体称为“追踪”（chase）。研究者旨在通过多种行为任务与环境富集手段，绘制学习相关的突触可塑性图谱。应用DELTA技术研究海马体蛋白动态时，研究者重点关注若干目标蛋白，包括PSD-95（一种在兴奋性突触中帮助组织受体与信号分子的关键支架蛋白）和GluA2（突触可塑性过程中发生修饰的离子型谷氨酸受体）。应用DELTA技术揭示了：
⦁ 学习诱导高度局部化的突触蛋白周转，表现为海马CA1区GluA2动力学的特异性增强，指向记忆形成过程中脑区与任务特异性的可塑性。
⦁ 环境富集触发广泛突触重塑——，加速PSD-95和GluA2等关键突触蛋白在多个脑区（尤其是新皮层）的周转。
⦁ 突触蛋白周转在神经元内呈现空间区室化，接收不同输入的树突层具有独特的周转模式，揭示了亚细胞水平可塑性的输入特异性调控机制。
DELTA技术使研究者能够将行为经验与可塑性的分子时间轴精确对应，帮助弥合行为、神经环路与蛋白质水平修饰之间的鸿沟。
04
HaloTag®配基：开启脑成像新时代
EPSILON与DELTA技术均依赖于HaloTag®系统与先进Janelia Fluor®染料的结合——这些技术由Promega提供支持。我们的细胞膜不通透性与通透性配基产品组合，使研究者能够对复杂神经元系统进行直达突触水平的标记。这些配基可实现以下功能：
⦁ 以高特异性与高信噪比对细胞及活体蛋白质进行标记，实现明亮信号与极低背景干扰；
⦁ 通过细胞膜通透性与非通透性配基标记多种靶标；
⦁ 将蛋白质周转与行为、基因表达或疾病状态相关联；
⦁ 兼容脉冲追踪实验、超分辨率显微镜技术等先进成像方法。
随着神经科学领域对多重化、长效且经济高效的成像工具需求日益增长，Promega的HaloTag®成像解决方案凭借独特优势支持前沿研究——涵盖细胞培养、器官模型至活体动物研究。
05
神经科学的成像未来
从揭示记忆形成机制到追踪全脑蛋白质动态，基于HaloTag®染料的活体成像技术正在开拓神经科学新边疆。随着该领域持续探索更具生物学相关性的系统，HaloTag®配基与Janelia Fluor®染料将继续作为解析大脑复杂性的必备工具——一次聚焦一个突触。
参考文献：
1. Kim, D., et al. (2025). EPSILON: a method for pulse-chase labeling to probe synaptic AMPAR exocytosis during memory formation. Nature Neuroscience.
https://doi.org/10.1038/s41593-025-01922-5
2. Mohar, B., et al. (2025). DELTA: a method for brain-wide measurement of synaptic protein turnover reveals localized plasticity during learning. Nature Neuroscience.
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