揭示生物体如何运作，关键在于理解大规模细胞群体内部及细胞之间的分子相互作用。密歇根大学研究人员近日公布一种新工具，旨在让科学家能够在更大规模与更长时间跨度上回溯观察细胞过程。

该工具由密歇根大学细胞与发育生物学及生物医学工程助理教授、密歇根神经科学研究所首席研究员凌畅博士团队开发，命名为 CytoTape。研究人员将其描述为一种由人工智能辅助设计的、柔性线状的细胞内蛋白质纤维，可在细胞内充当“录音机”，用于记录细胞活动随时间变化的信号。相关研究发表于《自然》杂志。

研究团队指出，现有用于测量生物过程变化的成像手段往往需要在分辨率与观测规模之间取舍。例如，功能性磁共振成像（fMRI）可在较大范围监测脑活动，但难以解析到单细胞层面；光学显微镜能够提供单细胞分辨率，却受限于组织对光的散射。即便在非活体组织中可通过显微镜观察更多细节，也难以实现对细胞活动的长时间连续观测。

为解决上述限制，团队提出在细胞存活期间将“时间戳”信号嵌入空间结构的思路。凌畅表示，CytoTape的工作方式类似树木年轮记录生长历史：细胞在体内沿着蛋白质纤维原位记录时间活动，随后可在细胞死亡后使用常规光学显微镜进行大规模读取，从而在一定程度上缓解分辨率与规模之间的矛盾。

在递送方式上，联合第一作者、凌畅实验室博士后郑立荣介绍，团队采用现有基因递送方法，将编码合成“录音单体”的DNA序列导入细胞。研究人员称，实验结果显示CytoTape不会改变细胞的正常生理或小鼠大脑的体内功能。

研究描述称，细胞会持续生产这些“录音单体”，单体在细胞内自组装并随时间延长形成蛋白质“录音带”。录音带上携带与不同细胞时间信号对应的彩色分子标签，记录时长最长可达三周。博士生、联合第一作者颜一笑表示，这些标签体积小于15个氨基酸，并与录音单体融合。她补充称，相关标签在生物学研究中应用广泛，可被特定荧光抗体识别并在显微镜下观察，用于标记细胞在某一时刻的内部活动。

联合第一作者、凌畅实验室博士后史东青表示，带标签的录音单体是否出现由依赖细胞活动的启动子控制，当相应细胞活动发生时，会在录音带上留下印记。团队称，借助该技术，他们在体内记录了多达 14,123 个小鼠大脑神经元的空间分辨转录活动。

研究团队还将CytoTape应用于小鼠神经元和胶质细胞，以及人类胚胎肾衍生细胞和人类癌细胞。研究人员表示，通过“录音带”可观察细胞事件发生前、中、后的变化，并在细胞可塑性调控通路中发现了意想不到的时间模式。

凌畅表示，团队希望与生物医学研究人员合作，利用该工具剖析跨越数天至数周的细胞可塑性过程，并通过比较健康与病变大脑的结果，定位这些过程在空间和时间上的异常，为未来纠正差异的治疗干预提供线索。