神经递质是大脑中神经元交流的信息分子，参与学习记忆、运动控制、社交行为等一系列高级神经功能；反之，神经递质失调与神经疾病密切相关。大脑中已知的神经递质超过100种，且化学性质多样——包括生物胺类、氨基酸类、脂类、多肽类等。为了研究神经系统在生理和病理情况下的功能、开发针对神经疾病的治疗方法，有必要解析各种神经递质在大脑中的分布和水平变化。

传统的生物检测是利用抗体识别神经递质或者神经递质相关蛋白，通过免疫荧光成像观察神经递质的分布情况，这种方法只适用于离体样本。为了观察活体中神经递质的动态水平，近年来针对特定神经递质人们开发出了可基因编码的荧光探针，将大脑中的化学信号实时转换成光学信号，达到了亚秒级时间分辨率和单细胞水平的空间分辨率（Wang et al., 2018）。生物检测技术的时空分辨率虽然很高，但是对于不同的神经递质，需要开发出特定的抗体或者探针；而且受限于光谱的重叠性，一次实验能够检测的神经递质种类有限。

通过微电极施加特定电压，检测神经递质的氧化还原电流，从而实现对神经递质的定性和定量分析。这一技术具有毫秒级的时间分辨率，但是仅适用于少数具有氧化还原特定的神经递质，而且无法提供空间信息。

微透析法利用植入组织的探针提取脑脊液，在体外首先通过液相色谱将组分分离，然后通过质谱对神经递质进行定性和定量分析，这一方法具有时间信息、适用于活体检测，但没有空间信息。化学检测技术的一大优势在于无需提前标记，而且理论上可以在一次实验中检测所有的神经递质、甚至未知的信号分子。

本研究所关注的质谱成像技术（MSI，Mass spectrometry imaging）属于化学检测技术，适用于离体组织切片，首先通过基质附助激光电离（MALDI，Matrix-assisted laser desorption ionization）技术原位电离组织样品，然后通过质谱对生物分子进行定性和定量分析，最终重构出各种生物分子在整个组织上的分布情况（图2）。虽然MALDI-MSI已经实现了对多种生物分子的检测，但是神经递质检测的灵敏度依然较低，主要原因是现有基质会对神经递质信号产生干扰、而且电离效率较低（Shariatgorji et al., 2014b）。

图2. 质谱成像技术工作流程。图片来自：（Shariatgorji et al., 2014b）

2014年来自瑞典Uppsala University的Per E. Andren课题组在《Neuron》首次报道了基于吡喃盐2,4-diphenyl-pyranylium tetrafluoroborate （DPP-TFB）的基质，它能够特异性地与一号位胺基发生反应，反应产物被激光电离后通过质谱检测，成功实现了对多种神经递质的同时成像，包括：tyrosine，tryptamine，tyramine，phenethylamine，DA，3-methoxytyramine，5-HT，GABA和Glutamine（Shariatgorji et al., 2014a），但是这一技术无法检测神经递质脱胺基后的下游产物。2019年该课题组在《Nature Methods》报道了2-fluoro-1-methyl pyridinium （FMP）基质，它能够与酚羟基、一号位胺基或二号位胺基反应，从而实现了对多种神经递质、及其上下游分子的同时成像，横向分辨率达到10 μm。作者利用这一新技术揭示了帕金森患者，大鼠（图3）、非人灵长类帕金森模型中神经递质系统的变化情况，为探索神经递质介导的神经疾病提供了重要工具（Shariatgorji et al., 2019）。2021年，该课题组在《Nature Protocols》上报道技术流程，帮助其它感兴趣的课题组开展相关研究（Shariatgorji et al., 2021）。

图3. 在单侧帕金森大鼠模型上，利用MALDI-MSI观察多种神经递质及其代谢产物的分布情况。图片来自：（Shariatgorji et al., 2019）