12月8日上午，第十六期DISCOVER LAB青年科学家论坛顺利开展。本期活动有幸邀请到密歇根大学安娜堡分校助理教授令狐昌洋博士，为我们线上做了题为
《聆听大脑信号的交响曲》
的精彩报告。
令狐昌洋，本科毕业于清华大学电子工程系/微纳电子系，在麻省理工学院电子工程与计算机科学系获得博士学位，入选 UMich BSSP 学者、MIT TR 35（中国）等多项荣誉。他将于2023年1月入职密歇根大学安娜堡分校担任助理教授，并成立 Spatial Biodynamics实验室。他的
主要研究领域为神经科学和生物技术。
曾主导开发出多种分析脑活动生物信号的新工具，包括细胞体靶向的荧光钙探针 (SomaGCaMP) 、信号报告岛 (Signaling Reporter Islands，SiR
I) 和 基因表达记录岛(Expression Recording Islands，XRI) 等，并在Cell、Nature Biotechnology、Neuron等期刊上发表论文
。
本次报告中，令狐昌洋博士从生物系统中信号的“交响”、空间离散化的荧光探针以及全脑信号观测等方面介绍了个人及所在团队的研究。
其中，令狐博士重点阐述了空间离散化探针的设计以及如何通过蛋白质自组装实现细胞信号的规模化读取。
最后，令狐博士也与我们分享了他目前正在进行的有关细胞信号观测的工作，并与同学们就报告中的内容展开了热烈的讨论。
令狐博士首先介绍了为什么大脑活动是“交响曲”。脑细胞通过复杂的生物计算实现脑功能，是一个包含各种信号的复杂动态系统。离子浓度、分子信使水平、蛋白质活动、基因表达动态等各种信号交织在一起，组成了信号转导网络，生物系统通过信号转导网络实现生物计算。因此，大脑活动是在多种细胞信号共同作用完成的，所以被称为细胞信号的“交响曲”。
空间离散化荧光探针
为了理解生物计算过程，我们需要各种技术手段去实时地观察这些细胞信号。荧光探针常常被用来实现在光学显微镜下对这些生物信号的时空观测，如钙离子活动的观测可以通过GCaMP荧光探针来实现。
钙离子活动观测很大程度上加速了研究者对大脑等复杂生物系统的解读，但复杂的生物状态不能仅仅通过单一信号来理解，在探究神经活动的过程中需要同时对多种信号进行观测。然而不同信号的探测所需要的荧光组件有很大的光谱重叠，这就导致重叠的荧光探针发出的光学信号难以被区分。因此，为了区分这些重叠的荧光探针，令狐博士提出探针的空间定位和分离方法，其出发点是：如果荧光探针在空间上分离，那么即使它们的光谱重叠，每个探针发出的光学信号都能被独立区分，从而实现探针的“空分多址”读取。
通过设计空间离散化探针，即使在光谱重叠的情况下依然可以观测不同的信号活动，如对Ca(2+)，cAMP，PKA，PKC和ERK信号的时空观测，从而发现这些信号在细胞中的非线性耦合的原理。
另外，空间离散化的荧光探针也可以在制药、医疗等领域发挥重要作用。
接下来，令狐博士向我们介绍了其团队在全脑信号观测方向的进展，目标是对大脑实现大规模的、单细胞尺度的、长时间的信号记录。
观测大脑信号需要广泛的空间尺度，因为大脑活动经常是多脑区协作的，如果只观察一个细胞或者一个区域，就很难清楚地理解大脑的计算方式。此外，如学习、记忆等大脑活动的持续时间常常达到数天、数月甚至数年，我们也需要从非常广泛的时间尺度来观察脑信号。之前介绍的活体光学成像方法难以完成全脑信号观测任务，因为荧光探针需要光学显微镜来观察，只能看到较小的一个区域。因此，令狐博士向我们介绍了另外一种方式：通过细胞内的蛋白质自组装来规模化地记录生物信号。
该方法通过蛋白质自组装设计细胞内的“记忆棒”（简称XRI），以达到记录生物信号的目的，如可以通过XRI技术记录神经元在数天内的基因表达动态。
最后，令狐博士向我们介绍了其课题组目前的研究工作，即通过XRI技术记录活体小鼠的大脑海马体区域的基因表达动态，以探究基因表达在相关脑区的时空分布，或将在大脑学习、记忆机理研究方面带来重大突破。
报告结束后，令狐昌洋博士与参会的老师和同学对报告所涉及的领域进行了深刻的探讨，并对同学们所提出的有关时分多址、空分多址、分子自组装、记忆棒滑动等问题一一给出了耐心的回答。同时，令狐博士指出未来会通过这些观测技术来进行行为学、认知学实验，以深入探究神经活动机理及细胞信号的耦合原理。
撰文 / 晋 步
排版 / 王影飘
审校 / 黄 妍
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