作為自然界最複雜的結構之一，人腦是一個由近千億個神經元和數萬億個神經突觸交織構成的高度精密的“生物宇宙”。在這片神經星海中，數以百計的神經遞質如同永不停歇的化學信使，調控着我們的思維、記憶、情緒與行為。其中，多巴胺（dopamine，DA）作為調控獎賞、運動與學習等腦功能的“快樂分子”，常常與乙酰膽堿、内源性大麻素、五羟色胺等其它神經遞質密切協同或彼此制衡；此外，多巴胺的功能還依賴于胞内信号分子如cAMP、Ca²⁺等在不同時空尺度下的精準調控。這些神經遞質和胞内信号分子共同構成了一個高度動态、精密耦合的神經化學調控網絡。近年來，領域内雖已開發出檢測單種或兩種神經遞質的工具，卻始終難以突破一個技術瓶頸——如何在活體動物腦中同步觀測多種神經化學分子的實時變化？

2025年6月5日，北京大學李毓龍實驗室聯合國内外多個團隊，在Science雜志在線發表了題為In vivo multiplex imaging of dynamic neurochemical networks with designed far-red dopamine sensors的研究論文，報道了基于化學遺傳型策略的遠紅光多巴胺熒光探針及其應用。該探針能夠與現有綠色和紅色熒光探針搭配，在體外培養細胞、急性腦片、斑馬魚及活體小鼠中實現三色成像或記錄，為多種神經遞質的同時成像提供了強大工具。

【化學遺傳策略助力探針光譜拓展】

開發遠紅或近紅外神經遞質探針的最大挑戰之一是缺乏合适的熒光模塊。目前已報道的遠紅或近紅外熒光蛋白普遍亮度較低，且難以進行循環重排，制約了遠紅和近紅外探針的開發和應用。為了突破這一局限，李毓龍團隊利用亮度較高的遠紅熒光染料以及循環重排的自我标記蛋白HaloTag作為熒光報告模塊，将其與G蛋白偶聯受體激活（GRAB）策略巧妙結合，通過兩千多個突變體的層層篩選，成功開發了遠紅光多巴胺探針GRAB_HaloDA1.0（簡稱為HaloDA1.0）。

在體外培養細胞系與原代培養神經元中，遠紅染料JF646标記的HaloDA1.0探針對多巴胺的熒光響應幅度可達到900%，表觀親和力為150 nM。HaloDA1.0探針具有亞秒級動力學、較好的膜定位和分子特異性，并且不與下遊信号通路偶聯。此外，該探針還可以與多種染料兼容，展現不同的顔色、反應幅度和親和力，增強了不同場景使用的兼容性。

遠紅多巴胺探針的開發和刻畫

【多系統三色成像看清神經遞質“共舞”】

在體外培養的神經元中：HaloDA1.0探針與綠色去甲腎上腺素探針、紅色五羟色胺探針共表達。在三色成像過程中，三種單胺類神經遞質探針隻對各自的激動劑和拮抗劑響應，不會發生串光幹擾。

HaloDA1.0在體外培養神經元中進行三色成像

在急性腦片中：同時表達HaloDA1.0探針和另外兩種綠色和紅色神經遞質探針，能夠靈敏報告電刺激引起的多巴胺、乙酰膽堿和内源性大麻素的内源動态變化，揭示了三者差異化的釋放動力學特征。結合藥理學處理實驗，研究人員深入探究了三種神經遞質之間的調控關系。

HaloDA1.0在急性腦片中進行三色成像

在斑馬魚中：通過與中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心穆宇老師合作，團隊構建了同時表達綠色ATP探針、紅色鈣探針和遠紅HaloDA1.0探針的轉基因斑馬魚。結合三色成像，研究人員在斑馬魚電擊刺激和癫痫樣行為過程中，實時觀察到多巴胺、胞外ATP及神經元鈣信号呈現同步化的釋放或活動，并且三者在信号消退階段表現出不同的下降速率。

HaloDA1.0在斑馬魚中進行三色成像

【活體小鼠中解碼神經信号調控規律】

與基于熒光蛋白的探針相比，化學遺傳型探針在活體小鼠中應用的關鍵挑戰是如何将染料高效遞送入腦。為了解決這一難題，本研究結合光遺傳學範式進行活體篩選，尋找兼具優異熒光響應與良好血腦屏障通透性的遠紅染料。結果顯示，SiR650标記的HaloDA1.0探針可以在多巴胺能神經元投射豐富的伏隔核和投射稀少的大腦皮層，均能特異性檢測光遺傳激活多巴胺神經元引起的多巴胺釋放。此外，借助HaloDA1.0的遠紅波長優勢，研究人員在中央杏仁核實現了藍光激活多巴胺能神經元的同時，雙色記錄多巴胺探針與紅色鈣探針的信号，并結合藥理學揭示了多巴胺對下遊神經元鈣活動的調控作用。

進一步地，本研究開展了三色光纖記錄，實現在小鼠自發活動、糖水獎賞、足部電擊和可卡因注射條件下，同步記錄伏隔核内多巴胺、乙酰膽堿及D1中型多棘神經元胞内cAMP的動态變化。結果顯示，生理行為中多巴胺與乙酰膽堿協同調控cAMP，而可卡因刺激下兩者呈拮抗效應。上述結果為理解神經化學分子的調控機制提供了新視角。

運用在體三色光纖記錄揭示小鼠伏隔核神經化學分子的動态和調控關系

綜上所述，李毓龍課題組拓展了多巴胺探針的光譜，成功開發了遠紅光的多巴胺探針HaloDA1.0。這一新型探針可在細胞、腦片、斑馬魚及小鼠多系統中，靈敏且特異地報告多巴胺的動态變化。通過與綠色和紅色熒光探針聯合應用，HaloDA1.0讓研究者得以同步捕捉多種神經化學分子的變化，深入解析它們的時空動态特征和調控關系。這項成果是跨學科合作的重要産物，既拓展了活體化學研究的邊界，也為解析大腦複雜的神經遞質調控網絡提供了有力支持。

beat365官方网站李毓龍教授為該論文通訊作者，北京大學生命科學聯合中心博士生鄭宇和beat365博士生蔡儒儀為共同第一作者，神經所穆宇課題組王逵博士和北大陳知行課題組張鈞維博士為共同第二作者。神經所穆宇研究員、北京大學陳知行研究員、美國Janelia研究所Luke Lavis和Eric Schreiter研究員、德國馬普所Kai Johnsson教授共同參與了該項研究工作。李毓龍課題組卓一洲博士（現為美國俄勒岡健康與科學大學Vollum研究所博士後）、董輝博士（現為上海交通大學松江研究院青年研究員）、張雨琪（現為瑞士洛桑聯邦理工學院博士生）、王依凡（現為美國紐約大學博士生）、鄧飛博士（現為斯坦福大學博士後）、紀恩博士、崔藝文、黃海耘、李少創等對文章做出了重要貢獻。

目前HaloDA1.0的病毒在維真和樞密公司有售，活體所需染料SiR650-HTL可以從南京浦海景珊公司購買，三色光纖系統可以從千奧星科或瑞沃德公司購買。

原文鍊接：https://doi.org/10.1126/science.adt7705