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Nature子刊:光遺傳學植入裝置重要突破

日期:2015-08-19 10:56:03

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

 

該裝置大大擴展了通過光遺傳學技術進行的研究的范圍,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。這項研究結果發表在八月十七日的Nature旗下子刊《Nature Methods》。

 

斯坦福大學電氣工程助理教授Ada Poon說:“這是為光遺傳學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:“我認為,其他實驗室也能夠將這種方法用于他們的工作。”

 

按比例縮放

 

傳統上,光遺傳學必需有一條光纖附著于小鼠的頭部,以傳遞光并控制神經。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中。另外,在一次實驗之前,科學家必須處理小鼠來連接電纜,這會使小鼠情緒緊張,并可能對實驗結果有影響。

 

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

 

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

 

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

 

通過后續的對話,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關系。”

 

在錫帽設計接管互聯網之前,重要的是要澄清一點:光遺傳學只對某類神經元起作用,這些神經元已被精心處理,包含了對光產生反應的蛋白質。在實驗室里,科學家們可以培育小鼠,使它們在選擇的神經元中含有這些蛋白質,也可以小心、費力地向牙線大小的神經元中,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備,照射沒有接受處理的神經元,沒有影響。

 

充電

 

Poon說,開發一種微型設備來提供光,是比較容易的。她和她的同事們研發了這一設備,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備,來解決同樣的問題,這些設備貼在動物的頭骨上,以復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》發表了這些研究結果。

 

雖然Poon有想法,但一開始并不知道如何構建一個腔室,來擴大和儲存無線電頻率。她和TanabeTanabe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“室內幼兒園項目”,但是它起作用了。然而,在它的原生狀態下,打開的腔室會向各個方向發射能量。相反,腔室頂部覆蓋有一個有孔的網格,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。

 

關鍵在于,網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,大小是至關重要的。該裝置首次嘗試無線光遺傳學,小到可以植入皮膚下,甚至可以引發肌肉或某些器官中的一個信號,這在以前光遺傳學是無法達到的。

 

該研究小組稱,這種設備和新的動力機制,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,來探索并可能開發新的慢性疼痛治療方法。

 


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