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用光做大脑神经的开关

光遗传学是我们这个年代的奇迹,神经科学家们能利用光脉冲打开或关闭脑细胞。


但直到现在为止科学家们仍面临着一个显而易见的难题:如何能将光脉冲输送到藏在动物头盖骨中的脑细胞里呢?

如今我们已从斯坦福大学实验室的Ada Poon那里得到了最好的回答。她与同事发明了一种微型的无线LED设备,该设备能完全被植入白鼠的皮肤下。白鼠在到处跑的时候,研究人员们能利用这一设备打开光线,刺激白鼠的神经元,使其表现或多或少有些失常。这一研究被发表在《自然方法》上,比起先前使用有线或笨重的头戴设备来激活光开关技术,这一系统似乎有了质的飞跃。


这一技术利用了在遗传上发生改变的、能对光做出反应的神经元,此类神经元常常引进了一株绿藻上的基因。研究人员们能够控制小白鼠大脑中含有光敏感神经元的部位,同时他们得以通过激活此类神经元(本质为打开或关闭此类神经元)来研究大脑该区域的功能,并观察白鼠的行为表现。科学家们利用这种方法可以了解基本的大脑解剖或研究人类脑部疾病中的机能失调。


第一个光遗传学系统利用光纤电缆来运输光线,这意味着白鼠头部会有电线穿过,无法四处移动。在过去五年内,研究人员们一直在研究无线系统,在该系统中将会由一个头戴式设备接收信号来刺激或触发植入LED。然而,某些接受装置比白鼠的脑袋更重,同时它们还干预了白鼠的移动及与其它白鼠交流的自由。

新设备由一个电力接收线圈、芯片和LED组成,其重量在20-50毫克之间(一只小白鼠的头重约2克)。它的小体积意味着它不仅能被植入大脑,还能被植入脊椎或四肢,允许研究人员们利用光遗传学刺激脊髓和周围神经。研究人员指出利用现成组件和工具即可完成植入,他们希望科学界能尽快采用这一设备。


在Ponn的系统中,白鼠将被置于一个名为共振腔的小型腔室中。植入物的电力接收线圈与腔室中的电磁场共鸣时能提取射频能量。由于白鼠在腔室里任何地方接收到的能量均相同,因此没必要设置带有指向天线的追踪系统。


研究人员们建造好这一系统之后,他们实施了三场概念验证实验来展示它刺激大脑、脊髓神经和周围神经的能力。在大脑中,他们刺激了白鼠右边前运动皮层,导致白鼠在腔室内绕圈行走。在脊椎中,他们发现刺激脊髓神经上方能更好地影响白鼠神经元的活动。

最后,对于周围神经系统,研究人员们将LED设备植入了白鼠的后肢,刺激其后肢中的痛觉神经。他们将白鼠置于一个两腔室结构中,白鼠接收刺激时可以自由地在一个共振腔和一个“安全”腔室中自由移动。当光被打开时,白鼠会走入它们不会感觉到疼痛的腔室中。


这些实验的重点并不是伤害白鼠,而是为了强调神经科学家们研发出了一款很酷的新工具,也拥有了解开大脑之谜的新方法。


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