​一秒变基友？中美科学家开发首个超微、无线光遗传控制设备，成功实现小鼠 “社交控制”

转载：本文来自微信公众号“学术头条”（ID:SciTouTiao），作者：ZS，编审：王新凯，排版：王落尘，转载经授权发布。

呢排，来自美国西北大学嘅黄永刚教授、Kozorovitskiy 教授、Rogers 教授以及大连理工大学嘅解兆谦教授合作，成功开发出首个超微型、无线、无电池且完全可植入嘅光遗传控制设备，并喺小鼠体内成功实现无线光遗传控制，让一对陌生嘅小鼠快速成为‌ “好兄弟”。

相关研究以 “Wireless multilateral devices for optogenetic studies of individual and social behaviors” 为题，发表喺最新一期嘅 Nature Neuroscience 杂志上。美国西北大学黄永刚教授、Kozorovitskiy 教授、Rogers 教授以及大连理工大学解兆谦教授为本文通讯作者。

对此，Kozorovitskiy 教授表示，“以前嘅光遗传学技术无办法观察多只动物喺复杂环境中嘅社交互动。因为之前嘅光遗传学控制需要用到光纤，而喺复杂环境度，光纤容易被折断好可能动物缠绕住。显然，我哋开发嘅无线光遗传调控装置更适合喺复杂环境中研究动物嘅行为。”

神奇嘅光遗传学

光遗传学系一项整合‌光学、软件控制、基因操作技术、电生理等多学科交叉嘅技术。我哋知道，当神经元处于静息状态时，细胞膜两边存喺住电位差，呢被称为静息电位。静息电位嘅产生是由于膜内外各种离子嘅分布唔均衡，以及细胞膜蛋白对各种离子嘅通透性唔同造成嘅。

而光遗传学嘅基本原理喺于，首先运用工具病毒载体，将光感基因（如 ChR2，eBR，NpHR3.0，Arch 或 OptoXR 等）转入到神经系统特定类型嘅细胞中进行特殊离子通道或 GPCR 嘅表达。光感离子通道喺唔同波长嘅光照刺激下会分别对阳离子或者阴离子嘅通过产生选择性，如 Cl-、Na+、H+、K+，从而造成细胞膜两边嘅膜电位发生变化，达到对细胞选择性地兴奋或者抑制嘅目嘅。

图 | 可以操控大脑神经元嘅光遗传学技术（来源：spectrumnews）

相比起传统嘅研究方法，光遗传学有住无可比拟嘅优点。佢剩系要要向细胞内转入一个蛋白，实际操作性高；以光作为刺激媒介，可实现神经细胞嘅毫秒级操控；利用光遗传技术观察神经投射；通过组织特异性启动子实现特定细胞嘅调控；对实验动物嘅创伤远远小于传统方法，且没有异物侵入组织；可以用定位嘅光纤来局部刺激细胞，也可以设计弥散光大范围刺激脑区。

早喺 1960 年代，耶鲁大学年轻嘅科恩教授（Lawrence B. Cohen) 就开始谂办法引进一个光嘅元素，将神经电信号变成光。

他嘅想法是利用一种化学染料将神经细胞染色。染料嘅分子并唔进入神经细胞，而只附住喺细胞膜上。咁样当神经细胞产生电信号时，染料嘅分子结构受到电场影响而改变颜色。咁样就可以通过测量染料嘅荧光来对神经组织进行成像。

但是呢种方法有个明显嘅缺点，就系对神经细胞没有选择性，唔同神经细胞对光信号贡献没法分开。我哋知道大脑中有兴奋和抑制两种神经细胞，好似汽车嘅油门和刹车，兴奋嘅负责 “嗨”，抑制嘅负责瞌瞓。如果有一种方法能分清楚这两种唔同细胞嘅信号，噉研究工作就更上‌一层楼。衹唔过化学染料对神经细胞嘅选择性是好差嘅，远远做唔到分辨唔同来自细胞嘅信号。

1990 年代，下村脩嘅水母荧光蛋白迅速成为光学遗传学领域中嘅第一个明星。首先，佢嘅基因被克隆，并可以喺第啲物种中表达。由此只要将佢嘅基因转移到某啲细胞度，呢啲细胞就可以喺组织中发亮，畀科学家指引目标。

2005 年，斯坦福大学 Karl Deisseroth 实验室通过喺小鼠活体神经细胞中表达藻类光敏蛋白，然后成功使用外部光源来控制和监视小鼠大脑活动。呢一研究成功实现活体神经细胞响应唔同波长嘅光刺激调控，宣布人类正式拥有‌精准操控大脑嘅工具。

这项技术听起来可能像是科幻小说，但是佢确实系一项非常重要嘅技术。目前，人类利用光遗传学技术喺修复失明和神经退行性疾病上都取得‌非常重大嘅突破

新型超微、无线、无电池、可植入光遗传控制设备

虽然光遗传学系一项应用前景十分广泛嘅技术，但係之前嘅光遗传学研究一直受到光传输技术嘅限制。例如，之前人类可以轻松利用光遗传技术控制单独动物嘅神经活动，却对于多只动物嘅社交活动束手无策。

因为光遗传学控制所需嘅光源通常会通过光纤同动物头部连接。而当动物四处活动时，光纤无疑系一个巨大嘅阻碍，会限制动物嘅行动，也容易被折断。

为认识决传统光纤嘅束缚，研究人员尝试开发‌一种微小嘅无线光调控设备，该设备可以轻轻地放喺动物头骨表面，通过 LED 柔性细丝探针延伸至大脑内部，控制神经元活动。

（来源：美国西北大学官网）

呢一微型设备利用近场通信协议，类似于手机嘅电子支付技术，令到研究人员可以通过计算机实时控制 LED 灯嘅活动。此外，呢一无线设备利用实验场地周边嘅线圈为设备进行无线供电，无需笨重嘅电池，也可以长期使用。

为‌验证呢一技术嘅实用性，研究人员设计‌一个实验来探索光遗传调控下嘅小鼠社交互动。

喺封闭环境度，当两只小鼠彼此靠近时，研究人员通过无线光遗传调控设备激活这两只小鼠大脑中嘅高阶执行功能相关神经元。结果发现，相比于第啲小鼠，呢两只小鼠迅速化身 “好兄弟”，开始频繁、长时间嘅互动和交流。而一旦失去刺激，呢两只小鼠又会迅速降低社交和互动嘅频率，变得 “冷淡”。

对此，Rogers 教授表示，“本研究首次喺特定环境中同时对多个光遗传调控设备进行完全独立嘅数字控制，实现‌光遗传学嘅无线控制。呢一技术嘅成功对于社群动物嘅脑活动研究非常重要，呢都系目前神经科学领域最有趣、最前沿、最令人兴奋嘅方向之一。”

总嘅嚟讲，呢一研究，首次证明‌无线光遗传调控装置嘅可行性，并首次喺社群动物中实现社交行为调控，为未来社群动物脑活动研究奠定‌基础。

参考资料：

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