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)動微型無線遙控裝置并使其內(nèi)部藍(lán)色LED發(fā)光，利用光線控制老鼠大腦神經(jīng)細(xì)胞、脊椎或四肢。這個設(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。

　　這是一個結(jié)合了光遺傳學(xué)—利用光控制大腦活動的研究—以及新發(fā)明的無線植入裝置的迷你驅(qū)動器。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放空間自由的和其他生物互動。這項(xiàng)研究于8月17日的Nature Methods刊出。

　　惰性激發(fā)靈感老鼠化身無線接收器

　　傳統(tǒng)上光遺傳學(xué)需要有光纖連接到老鼠頭部，以發(fā)出光線并控制神經(jīng)。這個局限的裝置雖然可讓老鼠在籠子里活動，但是無法像沒有戴光纖的老鼠那樣自由行動。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)所能帶來的貢獻(xiàn)?？茖W(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題以及神經(jīng)元傳遞痛覺的功能和中風(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有關(guān)現(xiàn)象，或需要使用迷宮等其他較復(fù)雜研究時，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線電力裝置。盡管這樣的能力看似對光遺傳學(xué)的領(lǐng)域毫無用處，但是Poon參加了一個結(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)制作類似裝置，使得錫箔帽子橫掃網(wǎng)路之前，請大家認(rèn)知到：光遺傳學(xué)只能作用在經(jīng)過設(shè)計(jì)的神經(jīng)上，而且必須存有對光線有反應(yīng)的蛋白質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)室里科學(xué)家有的會利用自行繁殖、神經(jīng)帶有這類蛋白質(zhì)的老鼠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，或者他們會設(shè)法注射帶有這類蛋白質(zhì)DNA的病毒到老鼠身上牙線粗細(xì)的神經(jīng)上。一般未經(jīng)設(shè)計(jì)的神經(jīng)元不管是透過光纖或無線裝置，都無法發(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，老鼠會四處移動，而研究人員必須要能夠追蹤活動，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)雜的線圈和感應(yīng)器以追蹤老鼠。

　　Poon表示：“我們懶得那樣做，感覺那樣很費(fèi)工且吃力不討好?！?/p>

　　所以Poon有一個瘋狂的替代方案，把老鼠自體能量轉(zhuǎn)換成無線頻率能量，并設(shè)定成能夠跟老鼠自體共鳴的頻率。盡管聽起來瘋狂，但是真的有效，Poon也將這個研究發(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。

　　植入無線電力裝置能夠發(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，但是一開始并不知道如何制作能夠放大、儲存無線頻率能量的空間。她和Tanabe找上了在國家加速器實(shí)驗(yàn)室(SLAC)研究中心工作過的Tanabe父親幫忙。Tanabe的爸爸稱這個完工的空間為“幼稚園計(jì)劃”，但是這個幼稚園計(jì)劃確實(shí)管用。

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

　　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來，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，將能量從這個空間中釋放出來，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公厘大小的線圈攔截。

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

　　這個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)動能量。而且在這個情況下，大小很關(guān)鍵。這個裝置是第一個利用無線光遺傳學(xué)原理，能將這么小的裝置植入生物皮下，且能夠驅(qū)動肌肉或其他器官，在之前的光遺傳學(xué)領(lǐng)域前所未見。

　　團(tuán)隊(duì)表示，這個裝置的新穎驅(qū)動機(jī)制開啟更多心理健康及并、行動及并和內(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。