细胞是生物体基本的结构和功能单位。我们的大脑之所以特异的脑功能，是因为我们的脑细胞能够处理、储存、传递与脑功能相关的信号信息。
在单个细胞内，成千上万个分子，例如蛋白质，离子和其他信号分子，共同发挥各种功能：吸收营养，存储记忆并分化为特定组织等。解密这些分子及其所有相互作用是一项艰巨的任务。在过去的20年中，科学家们开发了荧光报告器，可用于读出细胞内单个分子的动态。但是，通常一次只能观察到一个或两个这样的信号，因为显微镜无法区分许多荧光色。
如计算机一样，细胞单元在响应之前必须处理外界的信息。现在，科学家们已经开发出一种强大的新方法来观察负责细胞决策的内部交流，这使研究人员比以往任何时候都能更详细地了解细胞内部的信息交流情况。
由著名神经技术专家、认知科学专家、麻省理工学院脑科学研究所和科赫综合癌症研究所生物工程、媒体艺术与科学以及脑与认知科学教授、爱德华·博伊登（Edward Boyden）所领导的研究团队开发出了一种方法，可以通过测量整个细胞中随机、不同位置的每个信号来一次成像多个不同的分子类型。
如图所示研究人员开发出的方法，可以通过将发光的报告分子靶向细胞内的不同位置来同时对神经元内的多个不同分子进行成像。这种方法可以使科学家更多地了解控制大多数细胞功能的复杂信号网络。
在该项新研究中，博伊登及其同事使用这种技术来识别两个以不同方式对钙信号作出反应的神经元种群，这可能会影响它们对长期记忆的编码方式。该研究结果发表在最新一期的《细胞》杂志上。
荧光团簇
为了使分子活性在细胞内可见，科学家通常通过将感应目标分子的蛋白质与发光的蛋白质融合来创建报告基因。研究人员说：“这类似于烟雾探测器感应烟雾然后闪烁光的方式类似。”最常用的发光蛋白是绿色荧光蛋白（GFP），其基于最初在荧光水母中发现的分子。
博伊登说：“通常，生物学家可以在显微镜下同时看到一种或两种颜色，而且许多是绿色的，因为它们是基于绿色荧光蛋白的。” “到目前为止，一直缺乏能够同时看到多个信号的能力。”如图所示为了可视化神经元内的细胞信号，研究人员将记者分散在整个细胞簇中（绿色）。然后，他们识别出每个群集代表的信号（多种颜色）。
研究人员说，“就像从管弦乐队中聆听单个乐器的声音那样，远远不足以完全欣赏交响乐，” “通过同时观察多个蜂窝信号，我们的技术将帮助我们理解细胞活动的“交响乐”。如下面四张图片比较了科学家使分子活性可见的各种方式，以及右下角的新技术。
为了增加可以看到的信号数量，研究人员着手通过位置而不是颜色来识别信号。他们修改了现有的记录分子，使其聚集在一个单元内不同位置的簇中。通过向每个记录分子添加两个小肽来做到这一点，这有助于记录分子在细胞内形成不同的簇。
通过这种技术，每个细胞最终都有数百个荧光报告簇。在显微镜下测量每个簇的活性后，基于不断变化的荧光，研究人员可以通过保存细胞并染色每个报告基因特有的肽标签，来确定正在每个簇中测量哪个分子。肽标签在活细胞中是不可见的，但是在活成像完成后可以对其进行染色和观察。这使研究人员能够区分不同分子的信号，即使它们可能都在活细胞中发出相同的颜色。
研究表明，他们可以在单个细胞中看到五个不同的分子信号。为了证明该策略的潜在用途，他们测量了平行的三个分子的活性-钙，环状AMP和蛋白激酶A（PKA）。这些分子形成一个信号网络，与整个身体的许多不同细胞功能有关。在神经元中，它在将来自上游神经元短期输入转换为例如加强神经元之间的连接的长期变化方面起着重要作用，这是学习和形成新记忆所必需的过程。
将这种成像技术应用于海马锥体神经元后，研究人员确定了两个具有不同钙信号动态的新型亚群。一个群显示钙反应缓慢。在其它群中，神经元的钙反应更快。后者的PKA反应较大。研究人员认为，这种增强的反应可能有助于维持神经元的长期变化。
成像信令网络
现在，研究人员计划在活体动物中尝试这种方法，以便他们可以研究信号网络活动与行为的关系，并将其扩展到其他类型的细胞，例如免疫细胞。该技术对于比较健康组织和患病组织的细胞之间的信号网络模式也可能有用。
在这篇论文中，研究人员表明他们可以一次记录五个不同的分子信号，并且通过修改现有策略，他们相信可以达到16个。通过额外的工作，这个数字可以达到数百个。
如图所示一种新的成像技术使实时查看多个细胞信号成为可能。分子报告分子簇（绿色）检测信号，然后研究人员可以标记和识别信号（多种颜色）。该方法为科学家提供了细胞活动交响乐的详细视图。
博伊登说：“这确实有助于解决一些棘手的问题，这些问题涉及系统的各个部分如何协同工作。” “可以想象一个时代，我们可以看到活细胞中的所有事物，或者至少是与认知、疾病或疾病治疗有关的部分。”“可以将这项技术应用于各种生物学谜团。” “每个单元由于其内部的所有信号而工作。”由于信号传导会影响所有生物过程，因此研究信号的更好方法可以阐明从阿尔茨海默氏病到糖尿病和癌症等多种疾病。
参考：Spatial Multiplexing of Fluorescent Reporters for Imaging Signaling Network Dynamics. Cell. Published:November 23, 2020