在光遺傳學中，科學家利用光來打開或關閉大腦中的神經元群

亞利桑那大學生物醫學工程教授Philipp Gutruf是該論文的第一作者，該論文發表在Nature Electronics上，用於神經科學研究中的無電池，多模式操作的完全植入式光電系統。

光遺傳學是一種生物技術，利用光來打開或關閉大腦中的特定神經元群。例如，研究人員可能會使用光遺傳學刺激來恢復癱瘓時的運動，或者在將來關閉引起疼痛的大腦或脊柱區域，從而消除對阿片類藥物和阿片類藥物和其他止痛藥。

「我們正在製作這些工具，以了解大腦的不同部分是如何工作的，」Gutruf說。「光遺傳學的優勢在於你具有細胞特異性：你可以針對特定的神經元群體，並在整個大腦環境中研究它們的功能和關係。」

在光遺傳學中，研究人員用稱為視蛋白的蛋白質載入特定的神經元，這些蛋白質將光轉換成構成神經元功能的電位。當研究人員在大腦區域照射光時，它僅激活視蛋白負載的神經元。

光遺傳學的第一次迭代涉及通過光纖向大腦發送光，這意味著測試對象被物理地束縛到控制站。研究人員繼續開發使用無線電子設備的無電池技術，這意味著受試者可以自由移動。

但是這些設備仍然有其自身的局限性 - 它們體積龐大並且經常在頭骨外部明顯附著，它們不能精確控制光線的頻率或強度，它們一次只能刺激大腦的一個區域。

更多控制，更少空間

「通過這項研究，我們進一步進行了兩到三步，」Gutruf說。「我們能夠實現對發射光的強度和頻率的數字控制，並且設備非常小型化，因此它們可以植入頭皮下。我們還可以獨立地刺激同一主體的大腦中的多個位置，以前也不可能。「

控制光強度的能力至關重要，因為它允許研究人員精確控制光影響的大腦 - 光線越亮，光線越遠。此外，控制光的強度意味著控制光源產生的熱量，並避免被熱激活的神經元的意外激活。

無線，無電池植入物由外部振蕩磁場提供動力，儘管具有先進的功能，但並不比過去的版本大得多或重得多。此外，新的天線設計消除了過去版本的光遺傳設備所面臨的問題，其中傳輸到設備的信號強度根據大腦的角度而變化：受試者會轉過頭並且信號會變化削弱。

「這個系統在一個外殼中有兩個天線，我們可以非常快速地來回切換信號，因此我們可以在任何方向為植入物供電，」Gutruf說。「將來，這種技術可以提供無電池的植入物，無需移除或更換設備即可提供不間斷的刺激，從而導致比現有起搏器或刺激技術更少侵入性的手術。」

器械採用簡單的外科手術，類似於手術，其中人類配有神經刺激器或「大腦起搏器」。它們不會對受試者產生不良影響，並且隨著時間的推移，它們的功能不會在體內降解。這可能對心臟起搏器等醫療設備產生影響，目前需要每隔5到15年更換一次。

該論文還證明植入這些裝置的動物可以通過計算機斷層掃描，CT或磁共振成像或MRI進行安全成像，從而可以深入了解臨床相關參數，如骨骼和組織的狀態以及裝置。

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