The neural crest as a bioelectric Rosetta Stone- translating the analog and digital bioelectric code with Fluorescent Lifetime Imaging (FLIM)

神经嵴作为生物电的“罗塞塔石碑”：通过荧光寿命成像（FLIM）解读模拟和数字生物电密码

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摘要：

破译生物电码仍然是生物电干预在生物医学领域广泛转化的核心挑战之一，同时也是更深入理解发育过程中的离子信号如何演变为神经智能的基础。因此，开发能够对多种生物电参数进行定量研究的模型系统和实验方法至关重要，特别是在活体状态下，并将其与细胞和组织层面的结果相联系。在此，我们应用最先进的荧光寿命成像（FLIM）光学技术对膜电位（Vmemoe）进行定量检测，追踪了非洲爪蛙（Xenopus laevis）神经嵴细胞在约18小时时间跨度内的生物电动态变化。我们识别出一种在数小时尺度上起作用的缓慢“模拟”生物电成分，以及一种在数秒尺度上起作用的快速“数字”成分。随后，我们利用信息论分析表明，神经嵴细胞（NCC）膜电位的“数字”动态与钙离子动态基本相互独立。最后，我们对多种生物电事件进行了综述，揭示了集体生物电动态的深层复杂性，这种复杂性可能涉及隧道纳米管在信号传递中的作用，为今后的研究指出了多个值得探索的方向。

引言

生命的语言翻译

在古埃及帝国灭亡之后，其象形文字语言失传于欧洲学者，使他们无法获得关于自身更现代文化基础的重要见解。罗塞塔石碑（Rosetta Stone）的发现——一块以古埃及象形文字、古埃及通俗体文字以及可理解的希腊文书写同一信息的石碑——使得学者们得以破译这门失落的语言，并获取其中隐藏的秘密。当代生物学家面临着与19世纪埃及学家类似的挑战：解码我们祖先留下的古老语言，以更好地理解我们自己（见图1A）。

使用“代码”并不仅限于人类文化。生物学中充满了各种编码现象，它们发生在不同的尺度上，并由不同类型的物质实现 [1-4]。生物工程和再生医学的进步，以及对进化生物学和认知科学的基本理解，都要求我们学会读写这些“代码”。我们能否从测量中提取信息，并理性地操控分子和生物物理状态，以在活体系统中可靠地实现复杂的系统级结果，取决于我们是否了解输入状态与后续结果之间的映射关系。

语言的目的在于以一种能够提高个体之间功能协调性的方式传递信息，而翻译一门语言的关键早期步骤是理解信息是如何被编码的。这是让-弗朗索瓦·商博良（Jean-François Champollion）首次利用罗塞塔石碑破译象形文字时的核心洞见：“象形文字是一种复杂的体系，它在同一段落、同一句子、甚至我敢说同一个词中，同时具有具象的、象征的和语音的书写形式。”（引自[5]）。为了理解发育和再生形态发生过程，以及细胞协作失调所导致的疾病（如癌症），我们必须明确细胞之间发生的多种通信路径，以及细胞如何解读生物物理状态，从而将功能协调导向适应性和一致性的解剖结构结果 [6, 7]。正如象形文字一样，我们假设生物电可能以多种方式并行编码信息，展现出一种可解析且具有生物医学意义的模态，在物理学与符号学交汇之处发挥作用 [2, 8]。

在生命系统中用于编码的一种特别有趣的物理媒介就是生物电。神经科学通过神经解码的研究项目 [9-12]，主要基于这样一个观点：心理内容、灵活导航问题空间以实现适应性结果的能力，是以电生理状态进行编码的。然而，生物电网络并非首先出现在大脑中——它是一种古老的编码和使用信息的方式，可以追溯到细菌生物膜 [13]，并在作为调控形态空间穿越行为的前体中得到充分发展，从而控制运动性 [14, 15]。我们之前曾提出，电生理学在大脑中所起的整合功能——即协调大量神经元以实现个体行为层面的结果——也延伸至（并源自于）发育生物学中非神经细胞之间合作以达成复杂统一解剖结果的需求 [7, 16]。这表明，神经解码领域 [9-12] 应当扩展到身体其他组织，特别是那些正在进行活跃模式形成的组织 [16]。

生物电：一种原始的细胞语言

越来越多的研究证据表明，非神经系统的生物电在发育、再生、癌症进展和进化过程中发挥着重要作用 [17-19]（见图1B）。电压参数调控干细胞分化 [20-24]、增殖 [25-29]、基因表达 [30, 31]，以及细胞对经典生化信号因子的解读 [32-35]。即使在“主调控基因”pax6无法诱导眼睛形成的区域中，离子通道的异常表达也能在非洲爪蛙（Xenopus）胚胎中诱导出异位眼睛的形成 [36]。生物电还调控果蝇（Drosophila）翅膀的发育 [37]、斑马鱼（zebrafish）鳍的大小 [38]，以及脊椎动物心脏、大脑和面部的形态模式 [39-42]。它还被认为参与了飞鱼高度特化的鳍的进化过程 [43]。已有研究表明，生物电干预可以在非再生性条件下恢复再生能力 [44, 45]，克服化学和遗传因素引起的致畸作用 [46]，并使由人类癌基因诱导的类似肿瘤结构恢复正常 [47-50]。

由于存在多种可诱导复杂协调下游反应的干预试剂——即“电疗药物”（electroceuticals），其中许多已获美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于神经医学和其他适应症 [51, 52]，生物电也成为具有吸引力的生物医学干预途径。然而，在预测生物电干预结果、诊断病理背后的生物电成因，以及将生物电整合进更广泛的细胞、分子和发育生物学知识体系方面，我们仍面临巨大挑战。这主要是因为要在生理上有意义的时间尺度上观察和解读生物电模式的动态变化，技术难度极高。生物电是一种复杂的计算媒介 [53]，不能通过简单的“一对一”输入输出关系进行控制。为了操控生物电代码，我们必须首先能够“读取”它。本文中，我们报告了利用一种被称为“神经嵴”的胚胎细胞群体作为模型系统，以研究与发育相关的信息是如何被生物电信号编码的 [54-57]。

神经嵴：一种生物电的罗塞塔石碑

神经嵴是一类具有多能性的干细胞群体，位于神经与非神经发育模式之间的交界处，最终可分化为神经和非神经类型的细胞 [58-61]。神经组织由脊索（一种短暂存在的中轴组织结构）分泌的诱导信号所触发。那些从脊索接收到不足诱导信号的外胚层细胞保持为非神经细胞，而接收中等剂量信号的细胞则成为神经嵴细胞，它们可以向神经或非神经命运发展。

神经嵴细胞（NCCs）作为一个整体、以“智能化”的方式在胚胎中迁移，并最终形成多种多样化的细胞类型，包括周围神经系统神经元、心脏细胞、黑色素细胞、以及颅骨和软骨等。尤其与我们的研究相关的是，神经嵴细胞已被多次证明具有活跃的生物电活动。例如，两栖动物的神经嵴细胞会通过电趋化作用朝向外源施加电场的阴极方向迁移 [64, 65]。此外，多个关键生物电效应因子的突变都会阻碍神经嵴的正常发育，包括钾离子通道 [66, 67]、钙离子通道 [68]、缝隙连接蛋白 [62, 63]，以及机械敏感性非选择性阳离子通道Piezo1 [69]。

由于神经嵴细胞处于神经与非神经细胞之间的中间状态，我们将其设想为一种“生物电的罗塞塔石碑”，可能有助于翻译不同形式的离子信号。正如罗塞塔石碑帮助考古学家理解了一种前代文明的语言，从而更好地理解自身现代文化的基础一样，我们提出对神经嵴的生物电研究将使我们能够把神经科学中强大的理论和方法进展应用于更古老的非神经生物学功能之中；反过来，这也将提供关于原始认知机制的新见解，从而加深我们对大脑演化与功能的理解（见图1A）。

除了作为神经与非神经细胞行为之间的中介这一吸引力之外，神经嵴细胞也是研究集体细胞行为的重要模型 [70-76]。神经嵴细胞群体可以集体地趋化至化学引诱物Sdf1a所在的位置，但单个细胞却无法做到这一点 [77]，这表明整体大于部分之和。表达显性失活型Sdf1a受体CXCR4的细胞，在与野生型细胞混合后也能恢复趋化能力 [77]，进一步证明了这种组织的集体性质。神经嵴细胞的集体性不仅体现在功能上，也体现在结构上，因为神经嵴细胞可以在体外和体内形成超细胞级的肌动蛋白束，驱动整个细胞群的迁移 [78]。

根据威廉·詹姆斯（William James）对智力的定义——即通过不同路径实现相同目标的能力——神经嵴细胞展现出显著的“集体智能”[15, 79]。它们表现出非凡的适应能力：例如，在受到消融损伤时，它们可以通过非经典的路径迁移到缺失区域 [80, 81]（类似于神经元的行为 [82]），并且可以根据需要调节自身数量的增减，以实现正确的靶器官形态 [83]。也许最令人印象深刻的是，将小鼠神经嵴细胞移植到鸡胚胎中后，它们能够在新的环境中成功导航，并在鸡喙中形成牙齿 [84]。

这种复杂且高度可塑的行为特征表明，神经嵴细胞具有内在的高度复杂性和环境依赖性行为，使其成为一个极具吸引力的研究模型，用于探索生物电信号传导，以及更广泛的解剖状态空间中的集体行为 [85]。

解读生物电码中的信息

神经系统的生物电信号具有极快的速度、复杂的结构，并且单位时间内电压变化的幅度非常大。相比之下，更为原始的非神经系统生物电信号则要缓慢得多，幅度也更弱。肌球蛋白（myosin）为理解生物电提供了一个有用的类比。肌肉中含有高度特化的肌动蛋白-肌球蛋白系统，能够产生宏观尺度上的力量。而在真核生物中还广泛存在一种非肌肉型、特化程度较低的肌球蛋白，它驱动细胞运动以及细胞和组织的收缩性 [86]。尽管它们在分子机制上具有保守性，但研究个体与细胞运动所需的工具却大不相同。

同样地，虽然针对神经生物电信号，科学家们已经开发出了诸如膜片钳、全细胞记录和多电极阵列（MEAs）等强大的工具，但对于读取非神经生物电信号的技术手段仍十分有限 [87-89]。

神经科学家在一定程度上通过钙成像技术绕过了这些挑战，这种技术可以相对无创地对大量细胞进行长时间同步测量 [90, 91]。虽然生物电干预可以在发育过程中改变钙信号 [92]，但目前尚不清楚钙信号在多大程度上真实反映了非神经系统的生物电通信，尤其是在较长时间尺度上 [93]。具体来说，已有研究表明，除了电压门控钙通道的开启之外，还有多种从电压变化到基因表达变化的转导机制。因此，仅靠钙信号的读数不太可能全面反映细胞对内源性生物电事件的复杂反应 [94]。

Evan Miller 的研究团队开发出了一项有前景的技术，将他们的 VoltageFluor（VF）染料系统与高定量性的成像工具——荧光寿命成像（FLIM）相结合 [95, 96]。VF 染料由荧光团、分子导线和电子供体猝灭剂组成（见图2A）。它们像图钉一样插入细胞膜中，一旦插入，其荧光强度和寿命会随着局部电场方向的变化而变化：当电场将电子推入荧光团时（超极化），荧光强度和寿命降低；而当电场将电子拉出时（去极化），荧光强度和寿命增加。

由于荧光寿命是荧光团的固有属性，不会直接随染料浓度变化，FLIM 在很大程度上避免了因染料摄入差异或细胞形态变化带来的干扰（见图2B-D’’’）。这对于读取那些通常幅度微弱、时间跨度较长的非神经生物电信号至关重要，因为即使是轻微的伪影也可能掩盖这些信号。我们使用 FLIM 结合具有高度光稳定性的远红 VF 染料 BeRST [97]，首次在原代组织外植体中实现了超过17小时、几乎无光毒性和光漂白的长期生物电成像。

在此基础上，我们试图揭示信息是如何在生物电信号中被编码的。我们的方法基于克劳德·香农（Claude Shannon）对“信息”的定义 [98]，该定义在数学上类似于热力学中的熵，随着系统状态多样性的增加而增加。我们在文献 [99] 中深入讨论了信息论在生物信号识别中的应用，并将其应用于相对静止的非洲爪蛙（Xenopus laevis）动物帽外植体中的细胞骨架和钙信号动力学分析。

香农信息量高的系统通常具有高度的状态多样性，因此这类系统最适合作为生物电通信模态的研究对象。本文中，我们将这一方法扩展至映射先前未被描述的、光学估计的膜电位（Vmem）与钙离子动态之间的信息流动，追踪迁移中的神经嵴细胞外植体在较长时间内的动态变化。我们发现，与神经元不同 [90, 91]，神经嵴细胞中的 Vmem 和钙动态基本相互独立，这揭示了多细胞背景下离子信号演化的一个引人注目的方面 [14, 100-102]。

方法

青蛙饲养与mRNA注射

动物护理遵循塔夫茨大学（Tufts University）机构动物护理和使用委员会（IACUC）批准的协议编号M2023-18的规定进行。使用mMessage Sp6体外转录试剂盒（ThermoFisher）生成带有帽子结构并加标签的mRNA。在胚胎发育至2-4细胞阶段时，对其进行显微注射，每次注射体积约为0.9µm外径的剂量。注射的mRNA混合物包含600 ng/µL的jGCAMP8s mRNA [103]、10 ng/µL的mCherry-Erk2 [104]，以及200 ng/µL的LifeAct-Turquoise2 [105]，全部溶解于无RNA酶水（Ambion）中。

pLifeAct-mTurquoise2质粒由Dorus Gadella惠赠（Addgene质粒#36201；http://n2t.net/addgene:36201；RRID:Addgene_36201）。

pHR SFFVp BFP-Erk2质粒由Wendell Lim惠赠（Addgene质粒#50848；http://n2t.net/addgene:50848；RRID:Addgene_50848）。

神经嵴（NC）在纤维连接蛋白（FN）包被盖玻片上的外植培养

神经嵴外植操作参考并改进自 Gouignard 等人于 2021 年的方法 [106]。为尽量减少因更换多种培养基带来的生物电效应，神经嵴的分离操作均在 Danilchick’s For Amy（DFA）培养基 [107] 中进行。

神经嵴外植操作在神经管闭合前的神经胚形成期进行（NF 阶段 15–17）。多个传感器的mRNA共注射结合胚胎在22°C条件下的原肠胚发育阶段饲养，会引发轻微的异时性发育（heterochrony）。尽管我们努力从发育阶段相似的胚胎中取材，但由于存在时间窗口的不确定性，我们报告了一个相对保守且较大的阶段范围。为了减轻发育阶段差异的影响，我们在每次取出的神经嵴组织中切割出4-5个外植块，将它们在DFA缓冲液中混合均匀后随机分配到各实验组中。

本研究共进行了三次独立重复实验，分别使用来自不同批次的受精卵。在每次重复中，我们将三种不同钾离子（K+）浓度条件的样品在孔板中的空间位置进行轮换，以减少因孔位或成像顺序可能带来的干扰因素。

由于目前尚无法确认每个外植细胞的确切分子身份（此类验证通常需要遗传编码的报告系统或组织固定，而这两种方法均与我们的分析不兼容），因此我们避免将这些样本称为“神经嵴细胞”，而是采用术语“神经嵴外植体”（neural crest explants），以承认其中可能存在污染组织或向特定组织类型分化的可能性。

光学估计膜电位（Vmemoe）

虽然荧光寿命成像（FLIM）显著提高了生物电成像的定量能力，并可在不影响细胞完整性的前提下对大量细胞进行长时间监测，但不能期望其在所有细胞类型和所有时间点上都具有与经典电生理技术相同的精确度。染料内化、染料滞留引起的伪影、膜电位无关的寿命变化以及其他不可预见的技术限制，都是当前技术状态下的必要妥协。

然而，光学测量不会引入传统侵入性电生理技术所带来的一系列干扰因素 [87]。为避免混淆，本文中我们使用术语“光学估计膜电位”（Optically Estimated Vmem），简称 Vmemoe。

染色处理

外植体在含有以下成分的标准 DFA 缓冲液中染色30分钟：4.5 mM K+ 葡萄糖酸盐、50 μL Nuc Blue 染色试剂（Hoechst 33342，Invitrogen R37605）以及5 μL 0.5 mM BeRST DMSO 储存液（由 Evan Miller 惠赠，Pharmaron 合成，中国）。染色过程在22°C避光环境中进行。

为最大程度减少对外植体的扰动，染色液逐步加入至8孔玻璃底培养皿（Ibidi）中，并在各孔之间混匀以确保染色均匀。

成像

成像使用 Leica Stellaris 8 共聚焦显微镜完成。相关成像参数及元数据文件目录详见补充材料中的表格1（作为PDF文件提供）。

长期成像在20°C条件下进行。对于图3–6中讨论的定量数据集，使用了来自不同批次受精卵的独立重复实验。每种实验条件下共成像9个外植体，每次成像会包含3个外植体。三个重复实验之间因载物台移动速度略有差异，导致总成像时间相差仅几分钟，在超过17小时的总观察时间下可以忽略不计，因此将这些重复实验的数据合并分析。

图中展示的图像可能来自0.5 mM K+、4.5 mM K+ 或 8.5 mM K+ 条件，除非另有说明。部分图像在 Fiji 软件中进行了无插值放大处理，以生成更清晰的图表和视频素材。

图像分析

sX FLIM 定量分析：使用 LasX FLIM/FCS 模块进行曲线拟合。虽然 Lazzari-Dean 等人 [95] 对 VF2.1.Cl 使用双指数衰减拟合，而对 VF2.0.Cl 使用单指数衰减拟合，但由于光子计数相对较低，我们对所有荧光染料均采用了单指数拟合。在图3至图6所示的时间序列数据中，BeRST 的寿命图像在导出前在 LasX 中进行了合并（binning），以通过增加每次拟合中的光子数量来改善曲线拟合效果，之后在 Fiji [108] 中使用双线性插值方法或在 CellProfiler 中进行放大处理。

全器官整体定量分析：从 LasX 中将器官整体的时间序列数据分别导出为强度通道和寿命通道。应用每计数 1 的强度因子和每计数 0.001 的寿命因子，使得 16 位图像可以按皮秒单位缩放以便分析。除非由 CellProfiler 处理，否则二值掩膜是通过 BeRST 强度通道或 NucBlue 信号生成的。

Kymograph（时空图）制作：使用 NucBlue 信号对目标通道进行掩膜处理后，在 ImageJ 中运行“Radial Reslice（径向切片）”工具，并生成平均强度投影图。半径从图像中绘制。图像格式为 32 位，背景设置为 NaN，以防止低于阈值的像素影响数据。正导数图像通过将一张图像与下一个时间点的图像相减并舍弃所有负值生成。

CellProfiler 核轮廓提取：我们的 CellProfiler [109, 110] 分析流程见附录方法1。在本研究中，CellProfiler 仅用于生成补充视频7中的细胞核轮廓。

与钙离子kymograph的信息分析

Kymograph 图像被裁剪至 240 像素高度，去除了最外侧像素，并使用一个手动设定的阈值进行二值化处理；所有 kymograph 使用同一个阈值，所有钙离子 kymograph 使用另一个阈值。随后，y 轴以 16 倍因子进行中值合并（median-binned），生成一幅高度为 15 像素的图像，每个像素代表厚度为 16 像素的一系列同心圆的平均值。将所得 kymograph 的 x 轴替换为时间轴，使原本的单幅 kymograph 图像转换为一个时间序列图像，其厚度为 1 像素，高度为 15 像素。两个时间序列图像随后在空间上放大 100 倍，并被分割成每个原始像素作为一个独立的感兴趣区域（ROI），构建一个马赛克式的时间序列图像：左侧显示钙离子值，右侧显示 值，并保存为 .avi 格式文件。随后使用信息论软件包 CAIM [111] 从每个 ROI 中提取时间序列数据，计算每种信号模式在每个 ROI 中所包含的信息量（Information），以及每个通道之间、每个 ROI 之间的互信息量（Mutual Information）。

数据在 Excel 中进行处理，并在 Prism 中进行统计分析和绘图。统计显著性通过Friedmann 检验（Friedmann’s test）结合Dunn 多重比较检验（Dunn’s multiple comparison test）进行判定。

生物电事件大小估计

使用上述信息分析中得到的二值化数据，用于估算每个器官整体内生物电事件的平均大小。从每个时间点中测量出至少在一个通道（Vmemoe 或 Calcium）中存在活跃 ROI 的样本中，统计含有信号的 ROI 平均数量，并据此确定每个器官整体的平均事件大小。对于未包含至少一个 Vmemoe 事件和一个钙离子事件的器官整体样本予以排除。统计显著性使用 GraphPad Prism 进行配对 t 检验（paired t-test）计算。

扫描速度对生物电事件动态的影响估计

我们观察到与扫描方向垂直的线性信号。为了估计每条扫描线的停留时间（dwell time），我们将图像帧采集持续时间除以构成该帧的扫描线条数。随后，我们在 ImageJ 中沿掩膜后的寿命图像（背景像素设为 NaN，不参与分析）绘制一条与扫描方向平行的线，并手动定义其足够宽以涵盖整个生物电事件，同时尽量减少邻近细胞的干扰。我们使用 ImageJ 的“Plot Profile”工具提取寿命在空间上的变化，并利用估算的扫描线停留时间将空间维度转换为时间维度，最终绘制出寿命随时间变化的曲线图（lifetime vs. time plot）。

统计学方法

我们参考了 Lazic 等人 [112]、Lord 等人 [113] 以及 Motulsky [114] 的文献作为统计分析的指导。来自不同动物的多个神经嵴被切割成更小的器官整体，并被随机分配至不同的 K+ 条件中。由于随机化是在器官整体层面进行的，因此样本量被定义为器官整体的数量，并将不同的器官整体作为统计的重复样本。这些器官整体取自 3 批独立的孵育批次，并在 3 次独立的成像实验中进行观察，三种条件均在相同时间并行成像。

出于效率考虑，我们在统计分析中并未明确考虑批次（clutch）和成像实验（imaging session）层面的潜在变异性；尽管如此，在图 3A 中我们使用了三种不同颜色的点来表示这三个重复实验。由于长期的时间序列成像较为耗时，为了提高统计效能，在信息分析和事件大小估计中，我们将所有三种 K+ 浓度条件的数据合并在一起进行分析，并使用不同颜色标注每个数据点所属的实验条件。在事件大小估计中，排除了那些既没有 Vmemoe 事件也没有钙离子事件的器官整体。

统计检验使用 GraphPad Prism 10.4.0 软件进行，操作依据该软件的推荐指南 [114]。

结果

与任何新信息媒介或编码方式的研究一样，要使用模型系统来破解生物电码（bioelectric code），需要了解其所具备的生物电特性类型（如模拟信号 vs. 数字信号、信号“帧率”、单位面积内可携带不同状态的能力等带宽参数），以及这些特性如何对刺激做出响应。我们以非洲爪蟾神经嵴（Xenopus neural crest）为模型进行了以下研究。

三种染料的生物电荧光寿命成像揭示了传统非FLIM成像中被掩盖的空间生物电差异

我们假设，在扩散中的神经嵴器官整体中存在一些通过仅依赖荧光强度的传统成像方法难以检测到的细微生物电模式。为了验证这一假设，我们使用一组三种生物电染料，通过强度和寿命两个维度对膜电位（Vmem）模式进行了光学评估。

我们最近描述了一种策略 [115]，用于通过对照染料 VF2.1.Cl 验证 BeRST 检测到的生物电模式的特异性。VF2.1.Cl 的寿命特性已通过电生理学方法严格量化 [95]；而 VF2.0.Cl 是 VF2.1.Cl 的阴性对照变体，缺乏赋予 Vmem 敏感性的电子供体淬灭基团。我们发现，将 BeRST 与 VF2.0.Cl 共染色会显著降低 VF2.0.Cl 信号的寿命和变异性，提示两者之间可能存在 FRET 相互作用（数据未显示）。因此，我们避免将 BeRST 与 VF2.1.Cl 或 VF2.0.Cl 共染色，而是分别在不同的器官整体上进行染色。结论基于来自两个独立批次的数据：其中 9 个器官整体用 VF2.0.Cl 染色，8 个用 VF2.1.Cl 染色，13 个用 BeRST 染色。不同器官整体之间的成像条件略有调整以生成可比图像。图 2 中展示的器官整体并非来自注射胚胎，以防止构建体与 VF2.0.Cl 和 VF2.1.Cl 之间发生串扰。

比较三种染料的强度（B–C''）和寿命（D–D''）成分，展示了 FLIM 在读取生物电状态方面的价值。在强度图像中，细胞形状似乎在表观膜电位（Vmem）中起着主要作用。使用所有三种染料时，细胞重叠区域由于局部染料浓度升高，呈现出相对去极化的状态，形成一个环状结构，这在寿命图像中并不存在。图 2B' 和 C' 显示了对 Vmem 敏感的染料 VF2.1.Cl 的强度图像，尤其具有误导性，因为它们暗示中央细胞簇比正在迁移的单个细胞更去极化。然而，这种模式也出现在使用对 Vmem 不敏感的 VF2.0.Cl 的 B'' 和 C'' 图像中，强烈表明这些是假阳性结果。面板 D' 和 D'' 的 FLIM 数据进一步支持了这一结论：VF2.1.Cl 染色的器官整体呈现出不同于 VF2.0.Cl 对照组的模式，后者更为均匀。因此，FLIM 去除了主要的噪声来源，并揭示了原本被掩盖的细微生物电模式。

不过我们也观察到了一些差异，提示可能存在伪影。在 VF2.1.Cl 和 VF2.0.Cl 中偶尔可见在组织密集区寿命降低的现象（图 3F, G，星号）。这种现象在 BeRST 中并未出现，事实上恰恰相反，密集组织往往表现出升高的寿命，与去极化一致（图 3D'', D''', E，星号）。VF-FLIM 已知的一个伪影是在高染料浓度下会发生自淬灭 [95]。由于前迁移期器官整体密度较高，且我们希望以尽可能少的光子实现长期成像，因此我们使用了相对较高浓度的 BeRST（5 µM）以提高渗透均匀性。相比之下，VF 类染料在组织中的渗透效果优于 BeRST，意味着其局部浓度可能更高。我们将这些数据解释为：致密组织内部趋向于去极化，边缘趋向于超极化，并且由于染料淬灭伪影的存在，这一效应可能被低估了。我们还观察到，在 VF2.1.Cl 中轴突表现出升高的寿命，提示为去极化（D''），而在 BeRST 中则表现为超极化（图 2F'''）。BeRST 报告的超极化更符合现有的生物物理模型，说明 VF2.1.Cl 可能存在某种伪影。但出于谨慎考虑，我们在尚未解决这一矛盾之前，暂不解读本文中任何关于轴突的模式。

在（图 2E–G'''）中，我们展示了使用 BeRST 染色并在相同条件下培养约植板后 20 小时拍摄的一组 NC 器官整体的 Vmemoe 图像。FLIM 为每个像素提供两个独立数据集：强度（即光子计数），这是荧光共聚焦显微镜的标准输出；寿命（fluorophore 处于激发态的时间长度），以纳秒为单位报告。我们以三种方式呈现这些数据：第一，仅显示强度图像，展示标准生物电成像所检测到的模式（图 2E–E'''）；第二，同时显示强度和寿命，其中像素亮度由强度决定，颜色由寿命决定（图 2F–F'''）。这是 LasX FLIM 模块的默认输出，结合了强度提供的细胞形态线索，但掩盖了部分寿命数据的定量能力。第三，我们使用强度图像作为掩膜，对寿命图像进行处理，并采用自定义调色板（LUT）着色（图 2G–G'''）。这种呈现方式最具定量性，最能显示低幅度变化。在图 2 之后的图像中，除非另有说明，我们一般都使用仅寿命的呈现方式，因其具有更强的定量能力。

综上所述，这些数据显示 FLIM 能够检测到在仅依赖强度的传统荧光生物电成像中被掩盖的细微生物电差异。此外，它们也强调了仅依赖强度成像可能导致“假阳性”生物电模式的风险，而这些问题可通过 FLIM 得以缓解。然而，它们也揭示了移植后的 NCCs 中惊人的细胞间生物电多样性，尤其是在从较大群体中分离出来的细胞中。那么，这种多样性是如何产生的？它们是短暂波动的表现，还是持久的静态细胞差异？为了回答这些问题，我们利用了生物电成像的主要优势之一：能够在较长时间内并行观察大量细胞群体。

时间维度上的生物电变化：NCC 器官整体在从秒到小时尺度上表现出多尺度生物电信号

在确认了生物电状态的空间差异之后，我们接下来研究了在神经嵴细胞迁移过程中，生物电模式如何随时间演化，以及这些模式对通过改变培养基中 K⁺ 浓度所进行的生物电干预作何反应。生物电成像极大地扩展了我们检测生物电模式的时空范围。我们利用这一高灵敏窗口，在大约 17 小时的时间范围内探索膜电位（Vmem）动态变化，这段时间内神经嵴器官整体逐渐扩散、集体迁移，并开始从群体中分离出来进行个体迁移。

正如我们在图 1B 中所概述的那样，生物电领域面临的最大挑战之一是预测生物电干预后的表型结果。细胞是否会迅速补偿干预并恢复到设定的 Vmem？还是会长时间保持去极化或超极化状态？生物电动态是被严格控制从而阻止细胞进入新状态，还是仅仅整体向去极化或超极化水平偏移？为了回答这些问题，我们进行了平行的纵向研究，对改变外部钾离子浓度的 NCC 器官整体进行观察，以测试细胞外离子水平对长期生物电模式的影响。我们对器官整体时间序列图像进行了整体寿命分析，以估算整个实验过程中的全局 Vmem 模式，方法是通过对图像的强度成分进行阈值处理，去除暗像素的干扰。由于此方法不需要图像分割，因此相对无偏倚，但更容易受到诸如细胞死亡和染料内化等伪影的影响。

我们首先想观察是否能在 BeRST 寿命数据中检测到改变 K⁺ 浓度所带来的影响。我们计算了每个器官整体在整个时间过程中的平均值，发现与预期一致 [116]，增加 K⁺ 浓度会导致

升高（图 3A）。出人意料的是，降低 K⁺ 浓度并未显著降低寿命（图 3A）。在每个时间点绘制平均值后发现，0.5 mM K⁺ 条件下的标准差大于其他两种条件。

在三种条件下，都呈现出一致的三阶段变化模式（图 3B）。当将三种条件的数据合并后，每个阶段在统计学上都明显区别于前一阶段。最初，器官整体呈现相对去极化的状态，随后是一个约 6.5 小时的逐渐超极化期。这种去极化通常表现为一种生物电梯度，即器官整体中心区域相对去极化，而边缘区域更加极化（见补充视频1）。在这一 6.5 小时期间，中心的去极化趋势趋于平缓，随着器官整体的超极化而减弱。初始的超极化阶段之后是约 10 小时的逐渐去极化过程，第三阶段与第一阶段相比没有显著差异。

在 8.5 mM K⁺ 条件下，第二和第三阶段的显著高于 4.5 mM K⁺ 条件下的器官整体，而在第一阶段，三种条件之间没有显著差异（见补充图1）。这一模式在图 2B 中也有所体现：8.5 mM K⁺ 和 4.5 mM K⁺ 条件下器官整体的平均值在第一阶段差距较小，在第二阶段扩大，并在第三阶段维持较大差距。这些趋势与细胞在迁移过程中 K⁺ 通透性的内在变化相一致。

为了进一步探讨 0.5 mM K⁺ 条件下未下降这一意外现象，并结合该条件下较大的标准差（图 3D），我们独立地观察了每一个器官整体的长期动态（图 3D–F）。这些独立观察揭示了一些相对较短且陡峭的去极化事件，这些事件在 0.5 mM 条件下最为明显（图 3D，红色星号），尤其在第二阶段尤为突出。由于这些信号变化较快（以分钟为单位），并且看起来是离散事件——其变化速度远快于两个稳定期之间的持续时间——我们将它们称为“数字”信号，以区别于缓慢变化（以小时为单位）的“模拟”生物电信号。这些信号干扰了我们对 0.5 mM K⁺ 条件下细胞静息膜电位的测定，解释了该条件下较高的标准差，并可能解释为何其并未显著低于 4.5 mM K⁺ 条件。

对这些“数字”信号的进一步定性分析表明，它们常常涉及大量细胞，但并不一定覆盖整个器官整体。例如在图 4A 和 B 所示的低 K⁺ 处理的器官整体中，它分裂成了两个片段（见补充视频1）。在 B 图中，下方片段作为一个整体发生了去极化，而上方片段则基本保持不变。14 分钟后，在 H 图中，上方片段发生整体去极化，而下方片段则逐渐超极化。这一趋势表明这两个片段包含了各自独立的动态生物电回路。我们还提供了另外两个结合了和强度信息的例子，以展示“数字”生物电信号的多样性（见补充视频2和3）。

综上所述，这些数据揭示了 NC 器官整体在扩散过程中的缓慢三阶段进展：早期为相对去极化阶段，中心区域去极化并向外围逐渐超极化（第一阶段）；第二阶段更为超极化，此时梯度减弱，细胞开始从器官整体中分离（第二阶段）；第三阶段为逐渐增强的去极化（第三阶段）。这些数据共同提示，随着 NCC 迁移的推进，细胞膜对 K⁺ 的通透性发生了变化。最后，我们在低 K⁺ 条件下发现了快速、短暂的去极化事件的意外增加，这表明即使是极为简单的生物电干预也可能带来非线性的表型后果。

数字生物电动态与钙离子动态部分重叠

在神经元中，钙离子动态与去极化之间存在强烈相关性 [90, 91]。我们比较了膜电位（）和钙离子模式，以确定这种关系是否也存在于神经嵴（NC）中。

钙信号是目前非神经生物学中最深入研究的动态信号模式之一 [117, 118]，几十年来它一直被用作动态神经信号的替代指标 [90, 91, 119]。此外，已有研究表明钙信号在神经嵴器官整体迁移和图式形成过程中具有活性 [120, 121]，而干扰 Ca²⁺/H⁺ 通道 AMO1 [68] 和非特异性阳离子通道 Piezo1 的功能会阻碍体内 NCC 的正常迁移 [69]。鉴于动态神经信号与钙信号之间的这种关联，我们假设：我们在前一节中描述的数字型生物电信号可能是尚未被描述的动态非神经钙信号范式的一个组成部分。

我们分析了时间序列数据，以寻找生物电与钙信号之间相关性的证据。正如我们所假设的那样，我们确实发现了与生物电信号相关的钙信号实例（图4C）。但我们同时也观察到一些没有相应钙信号的生物电事件（图4D），以及一些没有相应生物电信号的钙信号（图4D）。基于这些数据，我们否定了“钙信号足以作为发育中生物电活动代理”的假设，转而得出结论：生物电与钙信号之间存在相互作用（crosstalk），但它们之间的相关性不像在神经生物电中那样紧密。

为了更全面地比较钙信号与数字型生物电动态，我们采用了 kymograph 分析方法（图5 A–O）。由于模拟信号和数字信号在变化速率上有所不同，我们通过创建“正导数”时间序列来进行解卷积，具体做法是将每个时间点的 Vmemoe 寿命值（或钙强度值）与下一个时间点相减。未分化的图像生成的 kymograph（图5 D, H, L）展示了模拟系统动态，而正导数图像生成的 kymograph 则揭示了数字动态（图5 E, I, M）。

我们通过使用 NucBlue 核信号对时间序列进行掩膜处理，并去除核 ROI 外的所有数据点，从而生成正导数时间序列。这一阈值设定有两个目的：一是去除了随着时间推移在细胞内积累的内吞染料（因为装载染料的囊泡往往被细胞核遮挡）；二是去除了由细胞运动带来的噪声，这对正导数方法是一个重要的干扰因素。我们也对原始图像应用了核阈值处理。随后，我们使用 Fiji 中的 “Radial Reslice” 工具 [108]，从图像中心向外围绘制了 360 个 kymograph（每间隔 1 度）。将这 360 个 kymograph 叠加为一个平均强度投影图像，可以呈现出整个器官整体在时空维度上的动态生物电演化信息。

我们在图5 D–O 中展示了三种条件下的代表性 kymograph。未分化的 kymograph 所显示的模拟趋势与我们在全器官整体分析中描述的趋势一致（图3）：首先是去极化，随后是逐渐超极化，最终再次趋向去极化；从器官整体中心到外围存在一个从去极化到超极化的梯度，该梯度随时间逐渐减弱；而在从主体分离出来的边缘细胞中则出现了明显的超极化现象。外部 K⁺ 浓度的影响也与预期一致：低 K⁺ 条件在第 2 阶段表现出更强的超极化，而 8.5 mM K⁺ 条件在第 3 阶段表现出更高的去极化。

通过对 kymograph 数据集的观察，我们提出了两个假设：（1）在迁移中的 NCC 中，

与钙离子动态仅存在弱协调关系；（2）Vmemoe 动态通常比钙离子动态具有更大的空间尺度。为了定量评估这些假设，我们应用了成熟的信息论形式体系，并使用了工具 CAIM（Calcium Imaging）[111]，这是我们之前用于量化 Xenopus laevis 动物帽细胞中钙信号与细胞骨架通路之间信息流动的工具 [99]。

我们首先将 0.5 mM K⁺、4.5 mM K⁺ 和 8.5 mM K⁺ 条件下的和钙信号数据合并，试图估算这些通路在整个发育过程中可能遇到的 K⁺ 浓度范围内的信息特性，并提高我们的统计效力。我们计算了每个器官整体的平均信息值。在合并后的数据中，我们检测到通路平均携带 0.079 比特的信息量，而钙通路平均为 0.062 比特（图6B），尽管这两个值之间没有显著差异。

钙信号的信息中仅有约 7% 与共享

为了验证我们的假设，即钙信号与 Vmemoe 在迁移中的 NCC 器官整体中仅存在微弱相关性，我们测量了每个感兴趣区域（ROI）内两个变量之间的互信息（Mutual Information），并将其与每条通路中检测到的信息量进行比较。结果与我们的假设一致：钙与之间的互信息显著低于任一变量本身的信息量（图6B），仅占钙通路中检测到信息量的约 7%，以及 Vmemoe 通路中信息量的约 5.6%。这些数据表明，在迁移中的 NCC 中，这两条通路在很大程度上——尽管并非完全——是相互独立的。

Vmemoe 事件通常比钙信号事件涉及更多细胞

我们观察到，事件通常比钙信号事件涉及更多的细胞。为了验证这一点，我们使用了前述 CAIM 分析中生成的二值化 ROI 数据，并测量了每种信号模式事件中所包含的平均 ROI 数量。未同时表现出钙信号事件和生物电信号事件的器官整体被排除在本分析之外；我们仅关注检测到事件的平均大小，而不考虑事件发生的次数。每个数据点代表一个器官整体中对应信号模式的平均事件大小，器官整体所属的 K⁺ 条件则通过数据点的颜色进行标识。

罕见生物电事件的观察提示细胞层面的生物电决策机制

生物电成像所扩展的空间与时间范围（图2D）使我们能够捕捉到一些相对罕见的事件，而这些事件若使用传统的针电极电生理记录方法将极难捕捉。由于这些事件自发发生的频率较低，目前我们尚无法对其做出定量结论，但这一观察为未来的研究提供了基础，同时也突显了生物电世界令人着迷的复杂性。

细胞分裂过程中 Vmemoe 升高

生物电活动在细胞周期的多个方面已被从现象学和功能层面上进行了研究 [28, 122–124]。在补充视频4中，我们记录了几次细胞分裂过程中的去极化事件，其中一次如图7A所示。这一观察结果与此前描述的细胞周期相关的生物电模式一致 [125]，进一步验证了 VF-FLIM 技术检测已知生物电事件的能力。此外，生物电成像具有最小的侵入性，同时具备高时空分辨率，为解析细胞周期进展中的生物电机制提供了一个理想的平台。

细胞或细胞群体在重新接触原集体时发生去极化

在补充视频5中，我们观察到一个细胞先发生超极化，随后脱离集体独立迁移，在接触到器官整体中的另一个位置后发生去极化（图8B），并整合进新的位置。这种接触似乎由隧道纳米管（tunneling nanotubes）介导 [121, 126–132]。我们也观察到类似的现象出现在细胞群体中：当群体中最靠近原集体的成员重新接触更大的集体时，整个群体会同步发生去极化（见补充视频6和7）。这种即时且长距离的响应提示，接触介导的生物电信号可能在调节 NCC 迁移过程中的扩散速率和程度方面发挥了作用，尽管其具体功能仍有待进一步研究。

扫描伪影揭示了动态信号动力学

我们观察到，在 18℃ 条件下培养约 22 小时的器官整体中，将 K⁺ 浓度从 4.5 mM 切换为 0.5 mM 后，似乎会引发类似于在 20℃ 下成像过程中所观察到的第二阶段中的生物电信号。我们利用这一现象，在更高放大倍数下对快速生物电事件进行了观察（见补充视频2和3）。在这些条件下，我们偶尔观察到一些与 y 轴成像方向完全平行的笔直去极化条纹。由于我们使用的是逐线扫描（line-scanning）成像方式，我们认为这些线条是发生在连续扫描线之间的数字型生物电信号。

假设这些生物电信号在整个细胞范围内是一致的，我们可以利用沿 x 轴方向、穿过 ROI 的线扫描速率来估算该生物电信号的动力学。我们发现这些信号可以重复出现，并具有相对较快的激活动力学（on-kinetics）和较慢的失活动力学（off-kinetics）（图9C’，C''）。不同细胞之间这些信号的频率存在差异，提示其背后的离子通道机制可能具有多样性，尽管这些信号通常持续时间在秒级。值得注意的是，图 C’ 中的细胞直接接触多个类似轴突的突起，这提示神经元活动可能在产生或调节某些数字型生物电信号中发挥了作用。

更引人注目的是，我们发现这些数字型生物电信号可以在细胞群体中长距离传播，甚至传导至核心群体之外的细胞——这些细胞很可能仅通过隧道纳米管（tunneling nanotubes）相互连接（图7C'''）。在此情况下，若假设群体内激活是均匀的，我们便可以估算整个群体的数字型生物电信号动力学，并发现了一种区别于 C’ 和 C'' 中所示模式的第三种生物电动力学模式。这些信号在激活和失活动力学上的多样性，为我们窥探非神经生物电事件的时间编码机制提供了诱人的线索，但由于这些事件相对罕见，在没有进一步实验优化的情况下尚无法进行深入解读。

神经嵴器官整体突起的生物电活动

由于 BeRST 可以对细胞膜进行染色，因此它能有效突出显示那些具有较高膜质比（细胞膜与细胞质比例）的结构，如隧道纳米管（tunneling nanotubes）及其他类型的细胞突起。已有研究表明，这些突起能够介导长距离的细胞间通讯 [129]，包括通过间隙连接（gap junctions）进行的生物电通讯 [126, 128]。

在如图7D所示的少数罕见案例中，我们观察到细胞体的去极化信号延伸至其隧道纳米管。值得注意的是，多个细胞的隧道纳米管会同步发生去极化，这表明细胞群体的生物电影响范围远大于其细胞体所占空间所表现出的程度。这一现象也与我们此前发现的 Vmem 通路相较于钙信号通路具有相对更高的互信息结果一致。

更广泛地说，隧道纳米管体积微小，使用现有技术几乎无法进行膜片钳记录等传统电生理测量，而这一发现表明，生物电成像可能成为研究其动态行为的一个有力工具。

罗塞塔石碑的价值主要在于它揭示了古代语言与现代语言之间的相似性与差异。同样地，我们对神经嵴细胞（NCC）的研究旨在揭示神经信号与非神经及神经生物电信号之间的异同。我们描述了生物电成像中的一些关键误区，并讨论了 FLIM（荧光寿命成像）如何帮助克服这些问题。接着，我们描述了在数小时内缓慢演变的“模拟型”生物电模式，以及在秒级时间尺度上快速发生的“数字型”生物电信号。随后，我们应用信息理论表明，不同于动作电位 [90, 91]，这些数字型生物电信号与钙信号大多互不相关。最后，我们讨论了这些比较对于神经生物电活动发生起源的意义。

FLIM 在揭示生物电模式中的价值

本文最具普遍意义的发现之一是：仅依赖荧光强度检测生物电模式所带来的风险。大量干扰噪声不仅掩盖了细微的生物电模式（比较图2C’和2D’），更严重的是，还可能产生假阳性信号（比较图2C''和D''）。由于我们的研究需要进行长期成像，因此在检测邻近 NCC 的组织污染或多功能 NCC 分化为多种后代细胞方面存在局限。我们的工作揭示了 NCC 迁移过程中令人惊讶的生物电信号多样性，为未来研究奠定了基础，以解析组织间相互作用、细胞分化以及不同 NCC 衍生物之间串扰对 NCC 生物电码的现象学与功能贡献。

理解离子信号在协调细胞行为中的作用，其应用范围广泛，涵盖进化发育生物学 [102, 133]、出生缺陷与损伤修复的生物医学 [41, 134, 135]，以及可编程生物机器人中多种细胞类型的使用 [136]。

模拟型生物电码

迁移中的器官整体遵循一个缓慢的三阶段生物电轨迹，这一过程持续数小时（图3A–G，补充视频1）。第一阶段表现为明显的梯度，内部细胞相对去极化，边缘细胞则更为超极化；第二阶段，随着整个器官整体逐渐超极化并开始解体，该梯度减弱；第三阶段，器官整体再次去极化。尽管趋势一致，但各器官整体的实际估计生物电值存在较大差异，这表明没有固定的门控阈值，因此我们将这些信号称为“模拟型”信号。

K⁺ 浓度对 NCC 器官整体生物电动态的影响

生物电干预如何影响生物电信号？这是生物电领域面临的一大挑战：设计能够可靠引发特定表型结果的生物电干预手段（图1）。这对于再生医学和癌症治疗等领域的治疗干预至关重要 [137, 138]。在此，我们通过测量一种常见的生物电干预——改变细胞外 K⁺ 浓度——在较长时间内的影响，迈出了弥合这一差距的关键一步。正如之前研究所预测的那样 [116]，提高细胞外 K⁺ 浓度似乎导致细胞去极化。然而，降低 K⁺ 并未显著引起超极化。我们进一步发现，降低细胞外 K⁺ 会意外增加快速“数字型”生物电信号，说明即使是简单的生物电干预也可能带来重大的非线性效应。目前尚不清楚低 K⁺ 如何促进数字型生物电信号的机制，不过值得注意的是，大脑中低 K⁺ 与睡眠有关 [139]，因此我们的发现可能对睡眠的原始进化起源具有启示意义。

数字型生物电码

数字型生物电信号可能扮演什么角色？越来越多证据表明，时间编码的信号动态是信号转导中被低估的一个重要元素，相同的生长因子以脉冲形式或静态输入方式施加会产生不同的效果 [140–143]。鉴于神经生物电信号本质上是数字型的，可以推测它们的原始非神经对应物也应具备时间编码特性。我们在图7C 中报告的激活与失活动力学差异提供了诱人的线索，提示可能存在一种非神经数字型生物电信号的时间编码词汇。虽然这些事件较为罕见限制了我们的研究能力，但未来若能更好地对其加以表征，将有助于解决当前设计生物电干预以实现特定结果的知识缺口。

在生物电领域也有类似现象的报道。利用基因编码电压指示器 rEstus 进行的荧光波动相关性分析表明，在永生化的 A375、HEK293T 和 MCF 细胞系中，Vmem 波动可以在细胞之间相互关联，并且在融合细胞簇中 Vmem 变异性下降 [144]。我们所描述的事件比 Rühl 等人 [144] 所描述的波动更加离散；虽然我们在孤立细胞中观察到空间变异性增加，但在群体中的细胞却能稳定产生强健的数字信号。未来还需进一步研究，以确定我们报告的数字型生物电信号是否与 Rühl 等人描述的现象属于同一机制，还是属于不同的通路。

NCC 中数字型 Vmem 与钙信号的比较

在 NCC 器官整体中，Vmem 与钙信号是两个基本独立的信息通道，这与神经系统的范式存在显著差异（图8）。这种差异凸显了在非神经细胞中使用钙作为 Vmem 代理的风险，并强调了钙非依赖性效应器在生物电信号中的重要性。Vmem 信号在比钙信号更远的距离上表现出互信息。这一模式有趣地与这两种通道在神经元中的特化功能相吻合：Vmem 支持快速长距离通信，而钙则介导囊泡释放等局部过程。我们所观察到的生物电信号的长距离特性，是否指向了一种后来被神经轴突取代的中介进化机制？深入理解 NCC 数字信号的机制起源，或将有助于揭示神经生物电的早期演化过程。

数字型生物电信号的分子基础

超极化激活的环核苷酸门控通道（HCN）在超极化时增加膜阳离子传导性，已被证明可介导 Xenopus 发育中化学和遗传扰动的远程修复 [46, 145, 146]。这些通道已在干细胞 [147–149]、包括神经元在内的兴奋性细胞 [150] 和心肌细胞 [151, 152] 中被证实具有功能，因此它们很可能是我们描述的数字型生物电信号的潜在效应器。然而，HCN 通道对钙具有通透性，而数字型生物电信号与钙信号的相关性较弱。同样地，尽管机械敏感的非特异性阳离子通道 Piezo1 对于正常 NCC 迁移至关重要 [69]，但它也会引发钙内流，因此也不太可能是数字型生物电信号的效应器。因此，我们的数据指向另一种尚未明确的、受超极化激活的离子通道，能够在大范围内协调细胞生理状态，这类通道将成为未来修复与再生研究的重要靶点。

关于生物电深层历史的意义

将相对原始的 NCC 生物电回路与高度特化、标准化的动作电位回路进行比较，为我们窥探神经元特化过程的早期起源提供了诱人的视角。我们在此展示钙信号与 Vmem 动态在神经嵴细胞中具有不同的计算能力，表明它们在深度进化过程中曾是与教科书中神经元中的角色截然不同的现象。也许正是这些电路整合过程中某些幸运的动力学巧合，点燃了神经元及其后续复杂性的演化火花？如果是这样，那么通过定向工程其他生物回路，或许也能合成类似的非线性计算能力提升。进一步理解神经与非神经细胞中生物电码的计算属性与语义 [1, 2, 8, 53, 153–158]，将是构建生物学中行为与形态生成问题解决统一框架的基础，也将开启新型生物计算形式的潜力。

原文链接： https://osf.io/ncx84/download