神经递质（NTs）和神经调质（NMs）在大脑的功能和行为调控中扮演着重要角色，因此对其动态变化的监测对于理解神经系统的运作至关重要。近年来，基因编码的神经递质和神经调质指示剂（GENIs）的开发为实时监测这些分子的变化提供了新工具，推动了神经科学的研究进展。GENIs能够在健康和疾病状态下提供NTs和NMs的时空信息，还能揭示非经典NTs/NMs的释放机制，进而阐明神经元与非神经元细胞之间的通信机制。

在此背景下，我们向您推荐由北京大学李毓龙教授团队在《Nature Reviews Neuroscience》上发表的综述文章，题为“Pushing the frontiers: tools for monitoring neurotransmitters and neuromodulators”。该文全面总结了监测NTs和NMs动态变化的各类方法，重点介绍了GENIs的最新进展及其在神经科学研究中的应用。文章深入探讨了GENIs的设计原理、特性、应用前景及面临的挑战，为神经科学研究提供了重要的参考和启发。

神经系统由神经元及胶质细胞等多种细胞组成，通过突触传递信息。在化学突触中，NTs和NMs从突触前细胞释放至突触间隙，并与突触后细胞的受体结合。经典的NTs如谷氨酸、GABA和乙酰胆碱（ACh）通过离子型受体和G蛋白偶联受体（GPCRs）快速激活或抑制突触后细胞，而NMs则通过GPCRs引发较慢、长程和扩散式的分子信号级联反应。这些神经传递物质参与觉醒、注意力、感知和学习等生理过程，并与多种脑部疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病和抑郁症等）密切相关。因此，高时空分辨率地监测细胞外NTs和NMs的动态变化，对于理解健康与疾病状态下细胞间的通信至关重要。正如孔子所说：“工欲善其事，必先利其器。”南非生物学家、诺贝尔奖得主Sydney Brenner也曾指出，科学进步依赖于新技术的开发。现在，我们正处于一个以全新时空分辨率追踪NTs和NMs的新时代。

在这篇文章中，首先回顾了一系列非基因编码的方法，这些方法在NTs和NMs的研究中具有重要的应用。电生理学方法可以通过离散电极获取信息，然而技术要求较高且通量低，主要用于体外研究，其读出信号缺乏特异性，需用受体拮抗剂进行验证。此外，尽管电生理学可以提供亚毫秒级的时间分辨率，但却无法直接测量释放动力学。微透析技术可以通过半透膜收集细胞外间隙中的可溶性化学物质，包括NTs和NMs，其灵敏度可达纳摩尔或皮摩尔级别，适合长期监测，但其时间分辨率较低，不适用于亚细胞水平的研究。

光学成像方法凭借高时空分辨率和低侵入性，逐渐成为检测NTs和NMs的重要工具。近年来，多种光学探针被开发，包括化学染料和基于纳米材料的传感器。但是这些非基因编码工具面临递送或特异性检测的难题。基因编码传感器则支持在特定细胞类型中长期表达，推动了GENIs的开发，包括囊泡释放指示剂和基因编码的钙离子指示剂等。这些工具的设计、优化和验证策略，加速了对NTs和NMs的研究进展，为生物医学领域提供了新的研究思路。

随着GENIs的快速发展，其工具箱日益丰富，原本用于钙离子成像的工具现已适用于NTs和NMs的检测。在选择GENI时，需要考虑灵敏度、选择性和动力学特性。此外，对于GENIs的性能验证也需通过各种成像方法结合来进行，以确保其在体内的有效应用。值得一提的是，GENIs在非传统模型生物中也展现了应用潜力，例如在斑马雀和草原田鼠等物种中进行神经研究。

总之，随着GENIs的迅速发展，研究人员不仅可以深入探讨NTs和NMs在健康和疾病状态下的动态特性，还能够解析非经典神经信号的释放及调节机制。敬请关注尊龙凯时在生物医学领域的最新研究，为您提供更多前沿的研究成果和技术支持。如有相关需求，欢迎加入我们的讨论，共同推动神经科学研究的进步。