科學(xué)家將藍(lán)色LED植入老鼠大腦 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制

　　利用老鼠自體的能量傳送到植入裝置，使其發(fā)藍(lán)光從而刺激腿部神經(jīng)。(攝影：Austin Yee )

　　首發(fā)100% 生物體內(nèi)部能源驅(qū)動(dòng)光遺傳學(xué)的組合裝置

　　借由老鼠自體能量轉(zhuǎn)換而成的能源，驅(qū)動(dòng)微型無(wú)線(xiàn)遙控裝置并使其內(nèi)部藍(lán)色LED發(fā)光，利用光線(xiàn)控制老鼠大腦神經(jīng)細(xì)胞、脊椎或四肢。這個(gè)設(shè)計(jì)是由斯坦福大學(xué)的Bio-X團(tuán)隊(duì)研發(fā)，是第一個(gè)以完全植入的方式傳送光遺傳學(xué)神經(jīng)刺激的裝置。

　　這是一個(gè)結(jié)合了光遺傳學(xué)—利用光控制大腦活動(dòng)的研究—以及新發(fā)明的無(wú)線(xiàn)植入裝置的迷你驅(qū)動(dòng)器。該裝置大幅擴(kuò)展了研究范圍，使研究人員能夠讓植入裝置的老鼠在開(kāi)放空間自由的和其他生物互動(dòng)。這項(xiàng)研究于8月17日的Nature Methods刊出。

　　惰性激發(fā)靈感老鼠化身無(wú)線(xiàn)接收器

　　傳統(tǒng)上光遺傳學(xué)需要有光纖連接到老鼠頭部，以發(fā)出光線(xiàn)并控制神經(jīng)。這個(gè)局限的裝置雖然可讓老鼠在籠子里活動(dòng)，但是無(wú)法像沒(méi)有戴光纖的老鼠那樣自由行動(dòng)。而且以前的實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家必須接觸到老鼠才能裝上光纖，有可能因此造成老鼠的壓力而改變實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　這些不得已情況都局限了光遺傳學(xué)所能帶來(lái)的貢獻(xiàn)。科學(xué)家已經(jīng)有一些研究斬獲，包含如何阻斷阿茲海默癥病患的手震問(wèn)題以及神經(jīng)元傳遞痛覺(jué)的功能和中風(fēng)可能的治療方法。但是，如果研究像沮喪或焦慮等與社交互動(dòng)有關(guān)現(xiàn)象，或需要使用迷宮等其他較復(fù)雜研究時(shí)，戴著光纖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)就令人傷腦筋。

　　Poon精通制作微型可植入的無(wú)線(xiàn)電力裝置。盡管這樣的能力看似對(duì)光遺傳學(xué)的領(lǐng)域毫無(wú)用處，但是Poon參加了一個(gè)結(jié)合神經(jīng)學(xué)和電機(jī)的神經(jīng)工程工作坊，才發(fā)掘這種迷你裝置的用處。

　　在大家跟進(jìn)制作類(lèi)似裝置，使得錫箔帽子橫掃網(wǎng)路之前，請(qǐng)大家認(rèn)知到：光遺傳學(xué)只能作用在經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的神經(jīng)上，而且必須存有對(duì)光線(xiàn)有反應(yīng)的蛋白質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)室里科學(xué)家有的會(huì)利用自行繁殖、神經(jīng)帶有這類(lèi)蛋白質(zhì)的老鼠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，或者他們會(huì)設(shè)法注射帶有這類(lèi)蛋白質(zhì)DNA的病毒到老鼠身上牙線(xiàn)粗細(xì)的神經(jīng)上。一般未經(jīng)設(shè)計(jì)的神經(jīng)元不管是透過(guò)光纖或無(wú)線(xiàn)裝置，都無(wú)法發(fā)光。

　　Poon表示，研發(fā)這樣的微型發(fā)光裝置不是難事。在工作坊結(jié)束后幾個(gè)月內(nèi)，她和同事就成功研發(fā)出這種裝置。最大的困難在如何大范圍啟動(dòng)裝置(發(fā)光)且不用向效能妥協(xié)。

　　在行為實(shí)驗(yàn)中，老鼠會(huì)四處移動(dòng)，而研究人員必須要能夠追蹤活動(dòng)，才能提供能量。Poon知道其他實(shí)驗(yàn)室的解決辦法是在老鼠頭上裝著龐大累贅的裝置，還纏繞著復(fù)雜的線(xiàn)圈和感應(yīng)器以追蹤老鼠。

　　Poon表示：“我們懶得那樣做，感覺(jué)那樣很費(fèi)工且吃力不討好。”

　　所以Poon有一個(gè)瘋狂的替代方案，把老鼠自體能量轉(zhuǎn)換成無(wú)線(xiàn)頻率能量，并設(shè)定成能夠跟老鼠自體共鳴的頻率。盡管聽(tīng)起來(lái)瘋狂，但是真的有效，Poon也將這個(gè)研究發(fā)現(xiàn)投稿到Physical Review Applied并于8月4日出版，共同作者是John Ho和Yuji Tanabe。

　　植入無(wú)線(xiàn)電力裝置能夠發(fā)光并刺激老鼠的大腦、脊椎或四肢。(攝影：Austin Yee )

　　成功轉(zhuǎn)換能量讓老鼠發(fā)光

　　雖然有了初步概念，但是一開(kāi)始并不知道如何制作能夠放大、儲(chǔ)存無(wú)線(xiàn)頻率能量的空間。她和Tanabe找上了在國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室(SLAC)研究中心工作過(guò)的Tanabe父親幫忙。Tanabe的爸爸稱(chēng)這個(gè)完工的空間為“幼稚園計(jì)劃”，但是這個(gè)幼稚園計(jì)劃確實(shí)管用。

　　本來(lái)在一空間里，能量會(huì)朝全方位發(fā)散放射。但是在實(shí)驗(yàn)中，研究人員用網(wǎng)格包覆整個(gè)空間，每個(gè)網(wǎng)格的空隙比能源的波長(zhǎng)還要小，于是能量就被隔在這個(gè)空間里了。

　　關(guān)鍵在于網(wǎng)格帶有轉(zhuǎn)HUA空間。例如老鼠的腳如果伸過(guò)來(lái)，就能夠接觸到所有閣在空間中的能量。而這頻率正好是老鼠體內(nèi)能夠共鳴的頻率。于是老鼠就成為導(dǎo)體，將能量從這個(gè)空間中釋放出來(lái)，導(dǎo)入身體，而身體中的能量則由一段老鼠體內(nèi)裝置上2公厘大小的線(xiàn)圈攔截。

　　不管老鼠怎么移動(dòng)，它的身體都會(huì)接觸到能量，并且將能兩導(dǎo)入驅(qū)動(dòng)裝置。老鼠沒(méi)有接觸到的地方則不會(huì)有能量散失的情況。也就是說(shuō)老鼠成為自己的移動(dòng)電源。

　　這個(gè)傳輸能量的新方法讓團(tuán)隊(duì)能夠利用這么小的裝置驅(qū)動(dòng)能量。而且在這個(gè)情況下，大小很關(guān)鍵。這個(gè)裝置是第一個(gè)利用無(wú)線(xiàn)光遺傳學(xué)原理，能將這么小的裝置植入生物皮下，且能夠驅(qū)動(dòng)肌肉或其他器官，在之前的光遺傳學(xué)領(lǐng)域前所未見(jiàn)。

　　團(tuán)隊(duì)表示，這個(gè)裝置的新穎驅(qū)動(dòng)機(jī)制開(kāi)啟更多心理健康及并、行動(dòng)及并和內(nèi)臟疾病的研究可能性。研究團(tuán)隊(duì)得到史丹佛B(yǎng)io-X資助，能夠更深入研究慢性疼痛的療法。