最近，斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們開發(fā)出一種微型裝置，將光遺傳學(xué)（用光控制大腦活動），和一種新開發(fā)的無線充電植入裝置相結(jié)合，是第一種完全內(nèi)置的光遺傳學(xué)傳遞方法。

 

該裝置大大擴展了通過光遺傳學(xué)技術(shù)進行的研究的范圍，實驗涉及到封閉空間里的小鼠，或與其他動物自由交流的小鼠。這項研究結(jié)果發(fā)表在八月十七日的Nature旗下子刊《Nature Methods》。

 

斯坦福大學(xué)電氣工程助理教授Ada Poon說：“這是為光遺傳學(xué)提供無線電能的一種新方法。這種裝置明顯更小，小鼠可以在實驗過程中四處運動。”

 

該裝置可在實驗室中進行安裝和重新配置，用于不同的用途，并且電源是公開可用的。Poon說：“我認(rèn)為，其他實驗室也能夠?qū)⑦@種方法用于他們的工作。”

 

按比例縮放

 

傳統(tǒng)上，光遺傳學(xué)必需有一條光纖附著于小鼠的頭部，以傳遞光并控制神經(jīng)。帶上這個有點約束性的“頭飾”，小鼠可以在敞開的籠子里自由移動，但不能像沒有障礙的小鼠同伴那樣，待在一個封閉的空間，或鉆入一堆睡著的同伴當(dāng)中。另外，在一次實驗之前，科學(xué)家必須處理小鼠來連接電纜，這會使小鼠情緒緊張，并可能對實驗結(jié)果有影響。

 

這些限制條件，使我們通過光遺傳學(xué)技術(shù)獲得的結(jié)果是有限的。人們已經(jīng)成功地研究了一系列的科學(xué)問題，包括如何緩解帕金森病的震顫、傳遞疼痛的神經(jīng)元的功能和中風(fēng)的可能療法。然而，解決具有社會成分的問題，如抑郁癥或焦慮癥，或者當(dāng)小鼠是被拴著的時候，涉及迷宮和其他類型的復(fù)雜運動，都更具有挑戰(zhàn)性。

 

2014年，Poon的團隊研制出了一種無限充電方案，能為植入體內(nèi)的電子儀器提供中場無線充電，這一結(jié)果引起了國際的廣泛關(guān)注。盡管這種能力在世界光遺傳學(xué)界是急需的，但是Poon直到參加了一個神經(jīng)工程研討會才意識到這一點，這次會議匯聚了來自神經(jīng)科學(xué)及工程學(xué)院的學(xué)者。

 

在那次研討會中Poon遇見了Logan Grosenick，他是光遺傳學(xué)之父、斯坦福大學(xué)的生物工程學(xué)、精神病學(xué)和行為科學(xué)教授Karl Deisseroth實驗室的研究生。但Grosenick沒時間帶領(lǐng)這一合作項目。

 

通過后續(xù)的對話，Poon最終遇見了研究生Kate Montgomery，他在生物工程和機械工程教授Scott Delp的實驗室工作，并與Deisseroth教授有合作。作為該研究論文的共同第一作者，Montgomery說：“自那時以來，我們的實驗室就建立了一種持久的科學(xué)關(guān)系。”

 

在錫帽設(shè)計接管互聯(lián)網(wǎng)之前，重要的是要澄清一點：光遺傳學(xué)只對某類神經(jīng)元起作用，這些神經(jīng)元已被精心處理，包含了對光產(chǎn)生反應(yīng)的蛋白質(zhì)。在實驗室里，科學(xué)家們可以培育小鼠，使它們在選擇的神經(jīng)元中含有這些蛋白質(zhì)，也可以小心、費力地向牙線大小的神經(jīng)元中，注射攜帶這些蛋白DNA的病毒。用光線——無論是通過光纖電纜還是通過無線設(shè)備，照射沒有接受處理的神經(jīng)元，沒有影響。

 

充電

 

Poon說，開發(fā)一種微型設(shè)備來提供光，是比較容易的。她和她的同事們研發(fā)了這一設(shè)備，并且它起作用了。但是，比較難的一點在于：如何廣泛地為其供電，而不影響電源效率。

 

在行為學(xué)實驗中，小鼠會四處移動，研究人員需要一種方法，來跟蹤它的運動，以提供局部性電源。Poon知道，其他實驗室正在使用笨重的設(shè)備，來解決同樣的問題，這些設(shè)備貼在動物的頭骨上，以復(fù)雜的線圈陣列與傳感器配對，來定位小鼠，并提供局部電源。

 

Poon說：“我們是懶惰的。這聽起來工作量很大。”因此，她產(chǎn)生了一個瘋狂的想法，用小鼠自己的身體來傳輸無線電頻率，只不過是在小鼠中產(chǎn)生共鳴的正確波長。這種想法可能是瘋狂的，但它起作用了，她與新加坡國立大學(xué)的助理教授John Ho，作為共同第一作者在八月四日的《Physical Review Applied》發(fā)表了這些研究結(jié)果。

 

雖然Poon有想法，但一開始并不知道如何構(gòu)建一個腔室，來擴大和儲存無線電頻率。她和Tanabe與Tanabe的父親進行了商議，對加工這樣一個腔室進行了了解，然后去日本做了初步的組裝和測試。Tanabe的父親將最終的腔室稱為“室內(nèi)幼兒園項目”，但是它起作用了。然而，在它的原生狀態(tài)下，打開的腔室會向各個方向發(fā)射能量。相反，腔室頂部覆蓋有一個有孔的網(wǎng)格，小于包含在腔室的能量的波長。這基本上將能量捕獲在腔室內(nèi)。

 

關(guān)鍵在于，網(wǎng)格有一點回旋的余地。因此，如果有類似小鼠爪之類事情存在的話，它會接觸到所有能量儲存空間的邊界。要記得，波長如何就是與小鼠產(chǎn)生共鳴的精確波長。小鼠基本上就變成了一個管道，從腔室釋放出能量，進入它的身體，在那里它被設(shè)備中一個2毫米的線圈捕獲。

 

無論小鼠是否移動，它的身體都會與能量接觸，吸引它并給設(shè)備供電。在其他地方，能量被整齊地儲存。這樣，小鼠就變成了它自己的定位裝置，用于傳送電源。

 

有了這種新型的動力傳遞方式，該研究團隊制造出這樣一個小型裝置。在這種情況下，大小是至關(guān)重要的。該裝置首次嘗試無線光遺傳學(xué)，小到可以植入皮膚下，甚至可以引發(fā)肌肉或某些器官中的一個信號，這在以前光遺傳學(xué)是無法達(dá)到的。

 

該研究小組稱，這種設(shè)備和新的動力機制，為一系列新的實驗開辟了途徑，可以更好地理解和治療精神健康障礙、運動障礙和內(nèi)部器官的疾病。他們有一個斯坦福Bio-X項目，來探索并可能開發(fā)新的慢性疼痛治療方法。