AI设计的血清素传感器可能有助于研究心理健康

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关键作用。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。在一篇文章中单间牢房，美国国立卫生研究院资助的研究人员描述了他们如何使用先进的基因工程技术来改造细菌的将蛋白质转化为一种新的研究工具，可能有助于以比当前方法更高的保真度监测血清素的传播。临床前实验（主要是在小鼠身上）表明，该传感器能够检测到睡眠、恐惧和社交过程中大脑5-羟色胺水平的细微实时变化，并测试新的精神活性药物的有效性。

这项研究的一部分资金来自NIH的大脑研究，通过推进创新神经技术（Brain）计划，该计划旨在彻底改变我们对健康和疾病条件下大脑的理解。

这项研究是由加利福尼亚大学戴维斯医学院的主要研究者林田博士博士实验室领导的。目前的方法只能检测到血清素信号的广泛变化。在这项研究中，研究人员将一种能捕捉营养的金星捕蝇器形状的细菌蛋白质转变成一种高度敏感的传感器，当它捕捉到血清素时，它会发出荧光。

此前，弗吉尼亚州阿什本市霍华德休斯医学研究所珍妮亚研究校区洛伦·L·卢格博士实验室的科学家们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。

这种叫做OpuBC的蛋白质通常会吸附营养胆碱，这种营养胆碱的形状与乙酰胆碱相似。在这项研究中，Tian实验室与Looger博士的团队以及加利福尼亚州帕萨迪纳加州理工学院Viviana Gradinaru博士的实验室合作，以表明他们需要人工智能将OpuBC完全重新设计为血清素捕捉器。

研究人员使用机器学习g算法帮助计算机“想出”250000个新设计。经过三轮测试后，科学家们确定了一个。最初的实验表明，这种新型传感器能够可靠地检测到大脑中不同水平的血清素，而对其他神经递质或类似形状的药物几乎没有反应。在小鼠脑切片上的实验表明，该传感器对突触通讯点神经元之间发送的5-羟色胺信号有反应。同时，在皮氏培养皿中的细胞上进行的实验表明，该传感器可以有效地监测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，在小鼠身上的实验表明，该传感器可以帮助科学家在更自然的条件下研究血清素神经传递。例如，研究人员发现，当老鼠清醒时，血清素水平会上升，而当老鼠入睡时，血清素水平会下降。当老鼠最终进入更深的R.E.M.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，科学家们还发现，当老鼠被铃声警告脚部电击时，5-羟色胺水平在两个独立的大脑恐惧回路中以不同的方式升高。在其中一个回路中——内侧前额叶皮层——钟触发5-羟色胺水平快速升高，而在另一个回路中——基底外侧杏仁核——递质缓慢升高到稍低的水平。本着“大脑倡议”的精神，研究人员计划让其他科学家随时可以使用这种传感器。他们希望这将有助于研究人员更好地了解血清素在我们日常生活和许多精神疾病中所起的关键作用。