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。
