【Nat.Photon.】洞悉生命“电”活动的新窗口：革命性的细胞成像技术直接进行活细胞内离子通道活性成像

在生命的微观世界里，每一个细胞都像一座繁忙的城市。这座城市的“城门”——分布在细胞膜上的无数个微小蛋白质结构，被称为离子通道——扮演着至关重要的角色。它们精确地控制着带电离子（如钠离子、钾离子、钙离子）进出细胞，如同守门的卫兵。这些离子的流动构成了微弱的生物电流，是神经信号传递、心跳节律、肌肉收缩乃至学习和记忆等几乎所有生命活动的基础。可以说，理解这些“城门”如何以及何时开关，是解开许多生命之谜的关键。

然而，想要亲眼“看”到这些纳米级别的“城门”的开合活动，是一项极其艰巨的挑战。几十年来，科学家们主要依赖两种“侦查”工具，但它们都存在着一个令人两难的“鱼与熊掌不可兼得”的困境。这篇文章所介绍的，正是一种旨在彻底打破这一困境的、名为**电化学调制干涉散射显微镜（EM-iSCAT）**的全新成像技术。它为我们提供了一个前所未有的、能够同时兼顾细节与全局的窗口，去窥探活细胞中离子通道的动态世界。

一、 过去的挑战：在“精”与“广”之间的艰难抉择

在EM-iSCAT技术诞生之前，科学家研究离子通道活动主要面临以下两种方法的局限性：

- 1. 膜片钳技术 (Patch-Clamp)：极致的“单点监听”

• 工作方式：这是一种非常经典的电生理学技术。科学家需要用一根比头发丝还细上千倍的玻璃微电极，像一个微型“听诊器”，精准地“吸附”在一小片细胞膜上，甚至只包含一个离子通道。通过这个“听诊器”，可以极其灵敏地记录下单个离子通道开、关时产生的微弱电流变化。
• 优点：它的灵敏度极高，能够捕捉到单个通道的开合细节，是研究离子通道功能无可替代的“金标准”。
• 缺点：它的**“视野”太窄**。这种方法一次只能“监听”一个或极少数几个通道，无法同时观察整个细胞上成千上万个通道的协同工作情况，更不用说观察多个细胞组成的网络了。此外，操作难度极大，且对细胞有一定的物理接触和影响。

- 2. 电压敏感染料成像 (Voltage-Sensitive Imaging)：宏观的“活动热图”

• 工作方式：这种方法是给细胞“喂食”一种特殊的荧光染料。当细胞产生电活动时，这些染料会改变其发光强度。通过荧光显微镜，科学家可以观察到整个细胞甚至一片细胞网络的电活动变化，就像看一张动态的“热力图”。
• 优点：它的**“视野”广阔**，能够实现高通量观测，同时看到大量细胞的整体反应。
• 缺点：它的灵敏度不足，无法分辨单个离子通道的活动。它看到的只是一个区域电活动的平均效应，就像在体育场外只能听到模糊的欢呼声，却分不清是哪个观众在呐喊。同时，引入的染料分子本身也可能对细胞的正常生理功能产生干扰。

综上所述，过去的科学家们不得不在“看清一个通道”的高灵敏度和“看全所有细胞”的高通量之间做出痛苦的选择。这极大地限制了我们对复杂生命过程的理解，例如，一个神经元上的不同区域的通道是如何协同工作的？一个细胞群落中的不同细胞在面对相同刺激时为何反应各异？

二、 革命性突破：EM-iSCAT技术的工作原理

这篇论文的核心，就是介绍了一种全新的、巧妙的成像方法——EM-iSCAT，它完美地融合了高灵敏度与高通量的优点，并且还实现了**“无标记”**观测，即无需任何染料。

我们可以把这个技术的名字拆解开来理解：

- 核心技术：iSCAT (干涉散射显微镜)

• 想象一下，在一个平静的湖面上，即便是一粒微小的尘埃落下，也会激起一圈极其微弱的涟漪。iSCAT技术就像一台超级灵敏的“涟漪探测器”。它向细胞照射一束激光，当光线遇到细胞上像离子通道这样的纳米级结构时，会发生极其微弱的散射，就像光被这些微小物体“弹开”了。
• 这个散射信号本身非常微弱，几乎淹没在背景光中。iSCAT的精妙之处在于它利用了光的“干涉”原理——它将散射回来的微弱光波与一部分原始的参考光波叠加。通过精巧的设计，这种叠加能够极大地放大那个微弱的散射信号，从而让原本看不见的单个蛋白质分子、病毒颗粒等变得清晰可见。最重要的是，这个过程完全不需要荧光标记。

- 点睛之笔：EM (电化学调制)

• 仅仅有iSCAT还不足以看到离子通道的“活动”。因为细胞本身就是一个复杂的结构，iSCAT会看到细胞膜上所有的静态结构，我们无法从中分辨出哪个信号是来自离子流动的。
• 为此，研究者们加入了一个绝妙的设计：他们通过一个微电极系统，对整个样品施加一个微弱的、以特定频率（例如，每秒30次或150次）来回振荡的电场。这个电场非常温和，并不会干扰细胞的正常生命活动。
• 这个“调制电场”就像给离子活动打上了一个独特的“节拍器”。当一个离子通道打开，带电离子涌出，在通道口形成一小团“离子云”。这团“离子云”的浓度会随着外部施加的电场而同步振荡。
• 如此一来，由这团“离子云”产生的iSCAT信号，就会带上与电场完全相同的振荡频率。而细胞的其他静态结构产生的信号则没有这个频率特征。

- 智能“解码”：信号处理

• 最后，计算机对显微镜拍摄的连续图像（视频）的每一个像素点进行一种名为“傅里叶变换”的数学分析。这个过程就像收音机调频，计算机被设定为只“收听”那个被电场“标记”了的特定频率。
• 通过这种方式，所有来自细胞静态结构的背景噪声都被完美滤除，只有那些与电场同步振荡的、由离子流动产生的信号被提取并放大出来。最终生成的EM-iSCAT图像，不再是细胞的形态图，而是一张动态的**“电活动地图”**，图上的每一个亮点，都代表着一个正在活跃的离子通道或通道集群。

三、 EM-iSCAT的强大能力：实验结果展示

这篇论文通过一系列精彩的实验，全方位展示了EM-iSCAT技术的强大功能：

- 1. 兼具“全景”与“特写”的双模式观测

• 全细胞模式（宏观视角）：研究者将细胞置于不同“咸度”（渗透压）的溶液中。当外部溶液变“淡”时，细胞为了维持内外平衡，会大量打开离子通道向外排出离子。在EM-iSCAT的视野下，可以清晰地看到整个细胞膜上的“亮点”（即活跃区域）数量急剧增加。反之亦然。当用药物堵住这些通道后，这种响应就消失了，这有力地证明了信号确实来源于离子通道的活动。
• 单通道模式（微观细节）：这是该技术最令人振奋的能力。研究者成功地对一种对学习和记忆至关重要的“NMDAR”离子通道进行了观测。他们不仅能清晰地看到单个NMDAR通道像灯泡一样“开启”（出现亮点）和“关闭”（亮点消失）的完整过程，其记录到的开闭节律、持续时间等数据与经典的膜片钳技术测量结果高度吻合。更神奇的是，EM-iSCAT还能以每秒1500帧的超高速度，追踪单个离子通道蛋白在流动的细胞膜上进行的微小“漂移运动”，这为研究通道所处的微环境提供了宝贵信息。

- 2. 无需标记，即可“指认”和“定位”不同类型的通道

• 这是一个极具开创性的应用。研究者通过巧妙地改变细胞外液中特定离子的浓度（例如，分别富集钾离子、钠离子或钙离子），来特异性地“激活”对这些离子敏感的通道。
• 结果发现，在富钾、富钠、富钙的环境下，细胞膜上被点亮的“活动地图”是截然不同的，亮点的分布区域各不相同。这表明，EM-iSCAT可以在不使用任何标签的情况下，仅通过分析通道对不同离子的响应模式，就能区分出细胞膜上不同种类的离子通道，并绘制出它们的空间分布图。

- 3. 区分“单兵作战”与“团队协作”的通道

• 在生物体内，离子通道有时会聚集在一起形成“通道簇”协同工作。EM-iSCAT能够轻易地分辨出这种差异。单个通道打开时，信号只有一个亮度等级；而当两个通道组成的“簇”同时打开时，信号亮度会翻倍，呈现出阶梯状的变化。论文中，研究者通过观察尼古丁受体（一种离子通道）的活动，清晰地记录到了这种单个通道和通道簇的不同信号特征。

- 4. 同时监测细胞“社区”中的个体差异

• 凭借其高通量的优势，EM-iSCAT可以同时监测一个细胞网络中的多个细胞。在实验中，研究者同时观察了5个细胞在受到相同刺激时的反应。结果发现，每个细胞的响应强度和速度都存在细微的差异。这种“异质性”在生命活动中普遍存在且意义重大，而EM-iSCAT为研究这种现象提供了强有力的工具。

四、 总结：开启神经科学与细胞生物学研究的新篇章

EM-iSCAT技术的诞生，标志着光学电生理学领域的一项重大进步。它一举克服了传统方法长久以来的核心矛盾，集无标记（无干扰）、单通道级的高灵敏度和多细胞级的高通量三大优势于一身。

这篇文章的深远意义在于：

1. 提供了一个全新的研究范式：科学家们终于可以像看一部高清电影一样，实时、直观地观察活细胞上成千上万个离子通道是如何“编排”复杂的生命交响乐的。这对于揭示神经信号处理、药物作用机制、以及癫痫、心律失常等离子通道相关疾病的机理具有不可估量的价值。
2. 降低了研究门槛：相比于操作极其困难的膜片钳技术，EM-iSCAT的信号直接从图像中提取，对操作者的要求大大降低，并且有潜力发展成自动化、智能化的集成设备。
3. 未来的无限可能：研究者展望，未来该技术还可以与人工智能相结合，通过学习不同通道的信号“指纹”，实现对通道类型的自动识别。更有可能发展出三维成像能力，去探索细胞更复杂的立体结构上，乃至细胞内部细胞器上的离子通道活动。

总而言之，EM-iSCAT技术为我们打开了一扇观察生命电活动的新大门。它所带来的不仅仅是一项工具的革新，更有可能催生一系列颠覆性的科学发现，让我们对生命最核心的奥秘有更深层次的理解。

参考文献

Li, QY., Lyu, PT., Kang, B. et al. Electrochemically modulated interferometric scattering microscopy for imaging ion channel activity in live cells. Nat. Photon. (2025). https://doi.org/10.1038/s41566-025-01696-z