报告人：Dr. Jonathan Sweedler

整理人：李梦尧

审核人：邹鹏

2017年11月7日星期二，来自美国伊利诺伊大学的Jonathan Sweedler教授为大家带来了题为”the Chemical Characterization of the Brain: from New Measurement Tools”的学术报告。Sweedler教授的主要研究方向是解码生理情况下大脑复杂的化学组成，包括化学小分子及神经肽类物质。

在脑中，存在着超过20,000种代谢小分子，超过100,000种蛋白及肽类物质，而其中绝大多数分子的定位及动力学特征尚未研究透彻。报告中，Sweedler教授介绍了几种在细胞层面或小的脑区层面分析脑化学组成的方法，包括毛细管电泳（CE）、质谱成像等。

1.脑中的化学小分子

以五羟色胺（5-HT）为例，早在1978年，科学家就发现仅靠一个五羟色胺能神经元就可以控制海兔的进食行为。后续的研究也表明，5-HT水平的高低可以直接反应海兔的饥饿水平。五羟色胺水平失调往往会导致非常严重的疾病，例如五羟色胺水平过高会导致Serotonin syndrome。

除了像五羟色胺这类研究比较透彻的神经递质分子之外，脑中还存在着许多重要的小分子，如D型氨基酸。在脑中目前已知存在四种D型氨基酸，包括D-serine、D-alanine、D-glutamate、D-aspartate，而这四种重要的小分子是否可以作为神经递质发挥作用目前还有待探讨。食物中摄取到的氨基酸大部分为L型氨基酸，这些L型氨基酸需要在消旋酶（racemase）的作用下才能转化为D型氨基酸。跟随着这个思路，2011年，Sweedler教授组在海兔中发现了一种消旋酶（DAR1），可以将L型天冬氨酸、丝氨酸转化为D型。通过免疫组化的手段，教授证明了DAR1在海兔中枢神经系统的丘脑区有广泛的定位。在后来的研究中，通过对栉水母(comb jellies)神经系统的分析，发现不仅是L型谷氨酸可以起到兴奋神经元的作用，D型谷氨酸和天冬氨酸同样可以起到类似的作用，尽管相比之下效力较低。除了在神经系统，D型氨基酸还在其他分泌器官中起到重要作用，例如在胰岛细胞中广泛存在着D型丙氨酸，而且高葡萄糖不仅会刺激胰岛素释放，D型丙氨酸释放同样也会升高。

2.脑中的神经肽类物质

与化学小分子不同，由于一系列剪切、翻译后修饰等过程的存在，神经肽类物质很难在实际检测到之前预测其结构。传统质谱检测的方法往往需要成吨的样品材料，才能成功分离鉴定出一种神经肽。然而通过质谱成像（mass spectrometry imaging， MSI）的方法，仅需要单细胞水平的样品，就可以成功分析出其所含的神经肽。

质谱成像技术是将质谱扫描技术与成像处理相结合，能有效地对分子的空间分布信息进行检测，并以成像的方式展现出来。目前流行的质谱成像技术主要有两种：二次离子质谱（secondary ion  mass spectrometry, SIMS）和基质辅助激光解吸质谱（matrix-assisted laser desorption/ ionization mass spectrometry, MALDI-MS）。与MALDI-MS相比，SIMS有着更高的空间分辨率，最高可达20nm，其质量分析范围约20KDa左右，虽然对于更大分子的检测灵敏度不高，但是对于神经肽的检测却刚好合适。

利用质谱成像的方法，2016年，Sweedler教授发现了真涡虫（Schmidtea mediterranea）头神经节再生的关键神经肽。真涡虫有着非常强大的再生能力，其再生能力与这些神经肽的分泌调节密不可分。通过比较普通真涡虫和再生过程中的真涡虫的神经肽组学，教授发现许多神经肽的表达量都有变化，其中一种命名为secreted peptide prohormone 20 (SPP-20)的神经肽，是之前从未被发现过的。可以相信，质谱成像方法在之后的神经肽鉴定中会发挥更重要的作用。

不仅如此，MSI也可以被应用到单细胞检测中。2015年，利用MALDI-MS 质谱成像的方法，Sweedler教授组分析了大鼠垂体、胰岛组织以及海兔的神经细胞组成，确定每个细胞在组织上的坐标，并将表达相同神经肽的细胞分为一类，找出具有独特表达的稀有细胞（rare cell），这些稀有细胞很可能在发育过程中起着重要的作用。2017年，教授开发了一套基于python的算法的软件包，用于处理显微质谱图像，极大地简化了不同仪器对同一目标的串行分析。

综上所述，Sweedler教授的报告为我们展示了如何通过化学分析手段研究大脑的化学组成，得到大脑的化学图谱将对我们研究下游的功能提供更多的线索。

参考文献

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