用光子控制神經元？以後我也可以靈光乍現了！
光哥按：
把無線微LED植入大腦，用特定的光線照亮特定的神經元。以此次探索大腦內部的構造與機理，原來靈光乍現是真的？
神經科學領域的一個前沿領域是利用光來了解大腦的工作方式，並創造治療疾病的新工具。
無線光遺傳學工具，如活小鼠中的這些微小植入物，使科學家能夠將大腦中某些神經元的刺激映射到特定的反應。[J. 羅傑斯/西北大學]
兩千年前，古埃及人知道應用於身體的電擊可以緩解疼痛。兩百年前，醫生明白，電刺激青蛙的脊柱可以控制肌肉收縮。今天，電療法是許多治療的基礎，從起搏器到控制疼痛。
但神經科學長期以來一直在等待一種更精確的控制特定類型神經元的工具。電刺激（e-stim）方法在沒有精確空間控制的情況下刺激大面積，並且不能區分不同的細胞類型。電刺激還可以誘發組織不需要的熱加熱和其他寄生效應。藥物是觸發類似神經元序列的強有力的替代方法，但它們在大腦中的使用是不準確的，而且比大腦的自然機制慢得多。
在20世紀80年代，諾貝爾獎獲得者弗朗西斯·克里克提出，光可能具有控制不同類型神經元的正確材料，這要歸功於它能夠以毫秒的時間精度提供定時脈衝。然而，光只穿透幾百微米到大腦表面，散射而不影響信號。面臨的挑戰是：我們如何讓大腦響應光線？這個問題引發了光遺傳學領域，以及用光學和遺傳修飾相結合取代電刺激的新興想法。
生物光子學進展與美國的資助情況
在21世紀初，美國斯坦福大學的研究人員Edward Boyden和Karl Deisseroth通過試圖對具有光敏特性的腦細胞進行基因編碼來解決這個問題。2004年，他們成功證實了稱為通道視紫紅質的微生物光敏蛋白 - 來自藻類的視蛋白可以被轉導到神經元中以控制其電信號傳導，通過響應藍光脈衝打開神經元離子通道來打開它們。其他視蛋白，包括那些抑制神經元活動; 例如，鹽酸視紫紅質可以使下丘腦中的神經元沉默，誘導活的小鼠的睡眠。
在十多年的時間裡，他們發現了許多具有不同專業特徵的視蛋白，並在繪製大腦活動方面取得了快速進展。這並不會傷害神經科學研究的投資同時增長。
2013年，奧巴馬政府宣布了一項公私合作項目，即通過推進創新神經技術（BRAIN）倡議開展腦研究。這項為期十年的計劃旨在支持技術的發展和應用，這將有助於理解人類的大腦，並治療諸如阿爾茨海默氏症，創傷性腦損傷，癲癇和自閉症等腦部疾病。2017年10月，美國國立衛生研究院（NIH）宣布110項新獎項總計1.69億美元，使2017年BRAIN計劃的總資金達到2.6億美元。在2016年12月通過的「21世紀治癒法案」在10年內向BRAIN倡議額外撥出了16億美元。
這個數字聽起來很大。但美國國立衛生研究院估計，在過去的十年中，人腦所需的全部資金大約需要45億美元。
今天，博伊登的目標是能夠繪製大腦圖並以足夠的精度對其進行控制，以治療所有大腦疾病，並在計算機中模擬想法和感受。博伊登現在是麻省理工學院媒體實驗室和麥戈文研究所（美國馬薩諸塞州劍橋市）的生物工程和腦與認知科學副教授，包括合作者瓦倫蒂娜埃米利亞尼（巴黎笛卡爾，法國巴黎）在內的同事最近發表了解決這個問題的新光遺傳學技術。該方法使用一種新的高效率視蛋白和雙光子全息刺激技術，以前所未有的精確空間和時間控制照射單個細胞。研究人員能夠精確地引導光線刺激腦切片中的單個神經元並測量來自連接的相鄰細胞的響應。該研究為更精確，毫秒級的活體動物大腦中的連接繪圖提供了舞台。
由John Rogers及其同事開發的超小型植入式光遺傳學無線設備平台，測量直徑為10 mm，由一個可穿過針鼻的微型無機LED（μ-ILED）（右）集成到可注射硅探頭的末端。[J. 羅傑斯/西北大學]
無線光遺傳學
目前用於映射小鼠大腦活動的最常見類型的光學系統涉及將光纖連接到滑鼠的頭部以從外部光源傳遞光脈衝。這有一些明顯的局限性：隨著動物的移動，電纜的尺寸在插入和刺激時會造成損傷，並且受試者必須保持與光源的物理連接，這限制了社交互動和正常行為。
隨著無線光遺傳學系統的發展，該領域正在發生變化。2013年，美國伊利諾伊大學香檳分校（美國）的材料科學教授約翰羅傑斯與西北大學（美國伊利諾伊州Evanston）的同事一起構建了第一個無線光遺傳學系統，其中一微米無機LED（μ-ILED）直接注入滑鼠的大腦，並通過無線電供電。從集成電路工業借用的定製光刻技術製造的μ-ILED由在兼容薄膜的聚合物結構上的有源半導體材料組成，該結構也用作機械支撐。
μ-ILEDs是單個神經元的大小，比市售LED小許多個數量級。該系統超輕便，無電池，並允許無線電力傳輸和大腦注入μ-ILED控制。定製無線μ-ILED平台受到神經科學家的需求，羅傑斯成立了一家小公司Neurolux（美國伊利諾伊州Champaign）應對這些需求。羅傑斯現在是西北材料科學，工程和外科教授，「現在是辛普森/奎里教授說：」我們不是只公布我們的結果，「我們希望跟進並使這些技術廣泛應用，以便他們能夠對該領域產生更持久的影響「。
Neurolux仍然是一家早期的公司，它正在改進μ-ILED和系統組件，以便為工業製造。雖然大多數光遺傳學活動發生在光譜的紅色和藍色部分之間，但Neurolux LED覆蓋可見光譜中的每種顏色和紫外線。研究人員可以根據所需的響應來選擇LED波長：紅光通常會抑制大腦中的響應，藍光會刺激其中一個，而綠光可以根據目標視蛋白進行。
μ-ILED種植體設計現在是一次性的，並且安裝在皮下，因此植入物在動物體內並不明顯。這可以讓老鼠表現出正常的行為，比如社交互動或者通過隧道或輪子移動。羅傑斯說：「老鼠可以完成所有標準光纖設置不可能完成的任務。」 進一步的發展使無線植入物的薄聚合物柄與用於藥理學遞送的集成微流體系統，溫度感測器，微型光電檢測器和微電極分層。
2017年10月，Neurolux獲得NIH的第一階段小企業技術轉讓（STTR）資助，以進一步開發該公司用於神經刺激和本地化，用戶可編程藥理學遞送的無線光遺傳學系統。據羅傑斯介紹，儘管存在障礙，許多人認為治療性光遺傳學方法最終將應用於人類。羅傑斯說：「老鼠的光遺傳修飾已經顯示對他們的健康沒有不良影響，所以可以想像這些方法有一天會被批准用於人類的安全使用。」
自我跟蹤無線
2015年，斯坦福大學電氣工程學副教授Ada Poon帶領一個多學科團隊採用無線光遺傳學的另一種方法：一種自我跟蹤，無線，完全植入式LED設備，可以在正常行為的老鼠的整個神經系統中進行無限制的光遺傳學控制。與羅傑斯的設備一樣，整個刺激器（包括接收線圈，電路和LED）的尺寸僅為10至25 mm3，重量為20至50 mg，具體取決於目標神經結構。（為了比較，小鼠頭重約為2克）。該設備可以植入大腦中，也可以植入肢體或脊髓等外圍位置。這將其在腦部刺激之外的用途擴展到藥物測試和疼痛管理的實驗。
諧振腔（頂部）為斯坦福大學Ada Poon及其同事開發的無線光遺傳學平台提供動力，使用市售組件。無線供電的內部植入物（插入，底部）使得小鼠能夠自由移動並且在接受對後爪周圍神經末梢的光遺傳刺激的同時表現正常。[A. Poon/Stanford University]
該系統可以使用微波諧振腔進行自我跟蹤，這是一種頂部開有蜂窩擋板的金屬籠。當由特定諧振頻率的RF源激發時，腔體限制其內部的電磁場。蜂窩金屬板起到能量傳遞機制的作用，使得滑鼠在蜂窩上的任何地方都能夠通過滑鼠身體到達植入的LED設備中的微小接收線圈。皮下植入物激活靶向的神經元集群，其允許安全且有效地自我追蹤光遺傳刺激的小鼠。
Poon希望通過該系統了解記憶存儲在大腦中的位置，從而直接通知臨床研究。例如，小鼠大腦中特定的神經元簇可能會識別痛苦休克的特定記憶，這是在小鼠防禦性蹲伏中而觀察到的。
「我們希望通過揭示引起老年痴呆症老鼠回憶休克的刺激模式，這將幫助科學家發現類似的模式，使老年痴呆症患者記住其他有用的東西，「Poon說。「隨著光遺傳學技術變得更好，使得精細的大腦研究更容易，我相信它可以成為神經科學的指導。」
——End——
相關資訊
這是中國光學發布的第113篇文章。光哥每日嘔心瀝血，搜集整理各種內容，只為更好服務大家，如果覺得有點意思就點個贊吧！或者轉發到朋友圈也能讓我們對自己的努力感到值得。
學習是一種信仰，分享是一種美德！
?本文編輯：張光
?本文來源：OPN
聲明：本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請第一時間告知，我們將根據您提供的證明材料確認版權並按國家標準支付稿酬或立即刪除內容！
TAG:中國光學 |