大腦是一個極為複雜的系統，包含了上百億個神經元和上百萬億個連線。腦細胞透過大規模的互聯及一系列不同時間跨度的生物訊號實現大腦功能。研究大腦的工作機制和疾病機理往往需要大規模、長時間的觀察和研究腦細胞的生理活動。

近日，來自 MIT 的研究團隊提出了一種規模化記錄生物訊號的新工具——表達記錄島（Expression Recording Island， XRI），即透過細胞內的蛋白質自組裝來規模化、長時間的記錄細胞生理活動。這種工具可以完全被基因編碼，透過基因傳遞匯入到大量細胞和組織中，並記錄精確到單個細胞的生理活動。

（來源：NBT）

在研究中，科研團隊用腺相關病毒（AAV）將編碼人工設計的蛋白質鏈的基因片段（1POK（E239Y）-MBP）靶向不同的腦細胞裡。之後，基因片段會在細胞內翻譯成蛋白質小磚塊。這些自組裝成的蛋白質磚塊會聚整合

“記憶棒”

，在細胞中不斷生長並連續記錄細胞的生理資訊。最後，把細胞和組織固定，透過光學手段和切片染色等方法高通量讀取記憶棒所記錄的資訊。

研究人員指出，XRI 技術的亮點

在於其可以從更大的時間和空間廣度記錄細胞的生理資訊。

論文的通訊作者是 MIT 神經科學家和光遺傳學先驅

Edward S。 Boyden

博士，第一作者是 Changyang Linghu（

令狐昌洋

）博士。令狐昌洋曾在 MIT 麥戈文腦科學研究所從事博士後研究員，現已加入密歇根大學安娜堡分校擔任助理教授。他本科畢業於清華大學電子工程系/微納電子系，隨後在 MIT 電子工程與計算機科學系（MIT EECS）獲得博士學位。2021 年入選《麻省理工科技評論》中國 “35 歲以下科技創新 35 人”。

令狐昌洋

實驗室（Spatial Biodynamics Lab）的研究方向是神經科學和生物技術，透過開發和使用新技術觀察和解碼大腦中的瞬態訊號與計算、長時程變化以及多模態動態。

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令狐昌洋博士（來源：受訪者提供）

令狐昌洋

告訴生輝，

我們希望在腦科學問題和工程創新之間架起更多橋樑，透過生物工程、材料工程、光學工程以及電子工程等領域的技術創新來助力解決神經科學領域的難題。

我們最新的工作是對現有的神經技術的有力補充，未來可應用於腦科學和腦疾病病理的研究，以及分析藥物和其他外界刺激對大腦的影響過程。

完全基因編碼的記憶棒，可像“年輪”一樣記錄腦細胞活動

生命是一種四維的過程（時間和三維空間），其中時間維度是生命活動的重要條件，時間停止也預示著生命的凍結。生命活動包含多種訊號通路的調節、基因表達變化等等。從出生到老年不同的人生階段和狀態，到學習記憶的不同階段，甚至同一天的不同時間，細胞和組織內的訊號通路調節和基因表達活動也不同。

因此，捕捉這種變化、讀取生命系統中的時間資訊對於生命科學研究至關重要。

現有的一類能精確到單個細胞活動的觀測方法是利用光學顯微鏡與熒光探針實時讀取和記錄時變的生物訊號。

這種方法可以連續地在時間維度上記錄資訊，但由於顯微鏡往往需要聚焦在一個給定大小的視場中讀取光訊號，這種方法難以大規模在三維空間上展開並同時讀取大量細胞的生物訊號；

另一類方法是透過組織學手段，對固定後的腦組織染色觀察。

這類方法很容易在空間上大規模展開，但是隻能讀取某一個時間點的資訊，不能實現在時間維度上對生物訊號的連續觀測和記錄。這兩類方法各有優勢，並且極大地促進了生命科學的研究。

從這些問題出發，該研究團隊決定嘗試開發出一類新方法，著眼於結合上述兩類手段的優勢，

從而實現規模化地記錄細胞和組織在時間維度上的生理資訊，並能精確到單個細胞。

年輪是樹木記錄其歷史資訊的“檔案”，形狀是二維的環狀輪圈。“樹木透過年輪記錄自己的生長資訊，這些生長的歷史資訊被永久性記錄在年輪的空間分佈上，即將時間資訊轉換成空間分佈的條紋。因此，可以根據年輪可以反推樹木在時間維度上的生長資訊。

我們的思路是在細胞裡面也放一個類似於‘年輪’的系統，讓其跟隨著細胞不斷生長，這樣細胞就能記錄自己在時間維度上的資訊。

”

令狐昌洋

說。

（來源：MIT 官網）

在研究中，研究團隊受年輪和竹子生長的啟發，開發出了一種利用自組裝蛋白質鏈條記錄細胞資訊的新技術—— 表達記錄島（XRI）。該工具

可完全被基因編碼

，使用者可以透過病毒載體將表達這種“一維線性蛋白質年輪”的基因片段遞送到體內，便於靶向到不同的細胞型別和組織器官。

具體來說，研究團隊利用 AAV 將編碼蛋白質的基因靶向遞送到不同的腦細胞中，這些基因會在細胞內翻譯組裝成蛋白質小磚塊（self-assembling subunits，自組裝單元），這些蛋白質小磚塊會隨著細胞活動不斷生長，記錄不同資訊，最後聚整合一根長長的

蛋白質“記憶棒”，有點像磁帶。

“記憶棒”是透過蛋白質工程來人工設計的，且組成記憶棒的蛋白質與哺乳動物細胞自身含有的各種蛋白質都不相同，不會干擾動物體內細胞的生理活動。

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基於線性蛋白自組裝的細胞生理學記錄工具的概念與開發（來源：NBT）

每個蛋白質小磚塊上都有免疫標記的標籤，這些不同標籤可以被不同抗體特異性地識別並熒游標記。含有藍色標籤的小磚塊在恆定表達啟動子的作用下持續生成，含有紅色標籤的小磚塊根據所觀測的細胞訊號來調節生成的量。這些小磚塊一旦生成就會加入到記憶棒的末端，使記憶棒持續生長。完成記錄後，透過免疫染色的方法即可看到標籤在記憶棒上的空間分佈。

不同標籤在記憶棒上的位置不同，意味著這些標籤出現的時間不同，這樣可以推算出所觀測的細胞訊號的時間資訊。

令狐昌洋

指出，利用這種方法，每個細胞都會有自己的年輪，當對細胞群進行組織學觀察時，我們觀察到的並不只是一瞬間資訊，而是連續的時間維度上的資訊。這樣就實現了對細胞訊號在時間維度上的規模化記錄。

更適用於記錄長時程的生物訊號和細胞資訊

令狐昌洋

將大腦中的活動比作是一支

“交響曲”

，涵蓋了多種“樂器”即多種生物訊號，包括離子濃度、蛋白質活動、基因表達動態以及其他生物物理動態等。

目前，XRI 技術更適用於在數天或數週的時間跨度上記錄時變特徵在數小時級的生物訊號和變化過程，比如基因表達的調控過程；還無法準確記錄“交響曲”中的快速動態訊號，比如鈣活動等。

因此，在本次的研究中，研究團隊重點利用 XRI 技術記錄了細胞中長時程（數天和數週）的基因表達資訊，包括立早基因 c-fos 的表達動態以及藥物刺激下的基因表達調控。

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透過 XRI 技術記錄神經元在數天內的基因表達動態（來源：NBT）

如果想要記錄“交響曲”中的其他生物訊號，則需要調控 XRI 技術的時間解析度和總記錄時長。

令狐昌洋

展望到，我們未來可以透過現有的合成生物學的方法去調控蛋白質記憶棒生長的速度，例如利用不同的啟動子調控小磚塊的表達速率。

接下來，計劃調節 XRI 的時間解析度和總記錄時長，來記錄各類生物訊號和細胞資訊。

令狐昌洋

解釋道，給定蛋白質“記憶棒”記錄資訊的總量，記錄的時間解析度越高，記錄時長就越短；記錄的時間解析度越低，記錄時間越長。記錄時長和時間解析度之間存在取捨關係，未來希望可以根據所探測的生物訊號的特點來調節記憶棒的時間解析度和記錄時長。

他還介紹到，在同一天發表的另一項由哈佛大學 Adam E。 Cohen 課題組完成的工作中，研究人員利用人源蛋白片段 iPAK4 也實現了類似的蛋白質記憶棒。“期待未來出現擁有不同時間解析度和記錄時長的各種蛋白質記憶棒 ，適用於各類不同的生物訊號和應用場景”，令狐昌洋說到。

“另一方面，因為 XRI 技術將時間資訊刻在空間尺度上，所以提高熒光標籤的空間解析度也能提高時間解析度。更高的空間解析度讀取標籤的空間分佈，相應地可以更精確地還原出時間發展。我們現在正在利用超解析度成像技術更高的空間解析度觀察記憶棒上的標籤。這將幫助我們提高復原時間的精確度，並有望復原出更多時間資訊。”

可用於疾病進展研究和藥物發現

令狐昌洋

告訴生輝，利用 DNA、RNA 和蛋白質等生物分子來儲存數碼資訊的研究最早可以追溯到上世紀末期，近年來新的工作也不斷湧現。XRI 技術的創新之處在於透過在細胞內的蛋白質自組裝來記錄細胞中的時變生物資訊，並能在組織中在原位（in situ）大規模地被讀取出來。

XRI 是對延展記錄技術的時間和空間廣度的新嘗試，也會是對現有記錄技術的工具箱的重要補充。

在試驗中，研究人員透過體外和體內試驗測試 XRI 技術的記錄效果，包括透過將小鼠腦部海馬體中的神經元分離在培養皿中建立體外系統並復原出了 c-fos 基因表達在數天內的波形，還直接將包裹基因片段的 AAV 注射到活體小鼠的海馬體腦區。

令狐昌洋

表示，XRI 技術有望從更大的時間和空間尺度觀察不同腦區之間的細胞群和細胞種類的相互協作機制，

並應用於基礎腦科學和疾病的研究。

具體來說，這一工具可以用於觀察大腦中的學習記憶以及疾病發展等過程的基因表達活動。另一方面，可以用於記錄和分析大腦對藥物治療的反應，助力藥物研發。

（來源：KVC Health Systems）

不過，他也提到了目前 XRI 技術更適用於不常分裂的細胞中，比如神經元，而在不斷分裂細胞中的應用具有侷限性。這主要是由於“記憶棒”本身不會複製，用於持續不斷分裂的細胞中會導致最終某些細胞中的“記憶棒”數目清零。研究團隊也指出，接下來希望透過工程化的手段解決這一侷限性，讓 XRI 技術能夠應用於不斷分裂的細胞中。

未來的工作可能還包括開發將 XRI 技術與其他生物技術結合，進一步拓寬 XRI 可以記錄的生物資訊種類。