最近，斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出一種微型裝置，將光遺傳學(xué)（用光控制大腦活動(dòng)），和一種新開(kāi)發(fā)的無(wú)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(kuò)展了通過(guò)光遺傳學(xué)技術(shù)進(jìn)行的研究的范圍，實(shí)驗(yàn)涉及到封閉空間里的小鼠，或與其他動(dòng)物自由交流的小鼠。這項(xiàng)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(shuō)：“這是為光遺傳學(xué)提供無(wú)線電能的一種新方法。這種裝置明顯更小，小鼠可以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中四處運(yùn)動(dòng)。”

該裝置可在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行安裝和重新配置，用于不同的用途，并且電源是公開(kāi)可用的。Poon說(shuō)：“我認(rèn)為，其他實(shí)驗(yàn)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(gè)有點(diǎn)約束性的“頭飾”，小鼠可以在敞開(kāi)的籠子里自由移動(dòng)，但不能像沒(méi)有障礙的小鼠同伴那樣，待在一個(gè)封閉的空間，或鉆入一堆睡著的同伴當(dāng)中。另外，在一次實(shí)驗(yàn)之前，科學(xué)家必須處理小鼠來(lái)連接電纜，這會(huì)使小鼠情緒緊張，并可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響。

這些限制條件，使我們通過(guò)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(wèn)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(huì)成分的問(wèn)題，如抑郁癥或焦慮癥，或者當(dāng)小鼠是被拴著的時(shí)候，涉及迷宮和其他類型的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，都更具有挑戰(zhàn)性。

2014年，Poon的團(tuán)隊(duì)研制出了一種無(wú)限充電方案，能為植入體內(nèi)的電子儀器提供中場(chǎng)無(wú)線充電，這一結(jié)果引起了國(guó)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(gè)神經(jīng)工程研討會(huì)才意識(shí)到這一點(diǎn)，這次會(huì)議匯聚了來(lái)自神經(jīng)科學(xué)及工程學(xué)院的學(xué)者。

在那次研討會(huì)中Poon遇見(jiàn)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(shí)驗(yàn)室的研究生。但Grosenick沒(méi)時(shí)間帶領(lǐng)這一合作項(xiàng)目。

通過(guò)后續(xù)的對(duì)話，Poon最終遇見(jiàn)了研究生Kate Montgomery，他在生物工程和機(jī)械工程教授Scott Delp的實(shí)驗(yàn)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(shuō)：“自那時(shí)以來(lái)，我們的實(shí)驗(yàn)室就建立了一種持久的科學(xué)關(guān)系。”

在錫帽設(shè)計(jì)接管互聯(lián)網(wǎng)之前，重要的是要澄清一點(diǎn)：光遺傳學(xué)只對(duì)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(duì)光產(chǎn)生反應(yīng)的蛋白質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)室里，科學(xué)家們可以培育小鼠，使它們?cè)谶x擇的神經(jīng)元中含有這些蛋白質(zhì)，也可以小心、費(fèi)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(wú)論是通過(guò)光纖電纜還是通過(guò)無(wú)線設(shè)備，照射沒(méi)有接受處理的神經(jīng)元，沒(méi)有影響。

充電

Poon說(shuō)，開(kāi)發(fā)一種微型設(shè)備來(lái)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)中，小鼠會(huì)四處移動(dòng)，研究人員需要一種方法，來(lái)跟蹤它的運(yùn)動(dòng)，以提供局部性電源。Poon知道，其他實(shí)驗(yàn)室正在使用笨重的設(shè)備，來(lái)解決同樣的問(wèn)題，這些設(shè)備貼在動(dòng)物的頭骨上，以復(fù)雜的線圈陣列與傳感器配對(duì)，來(lái)定位小鼠，并提供局部電源。

Poon說(shuō)：“我們是懶惰的。這聽(tīng)起來(lái)工作量很大。”因此，她產(chǎn)生了一個(gè)瘋狂的想法，用小鼠自己的身體來(lái)傳輸無(wú)線電頻率，只不過(guò)是在小鼠中產(chǎn)生共鳴的正確波長(zhǎng)。這種想法可能是瘋狂的，但它起作用了，她與新加坡國(guó)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(kāi)始并不知道如何構(gòu)建一個(gè)腔室，來(lái)擴(kuò)大和儲(chǔ)存無(wú)線電頻率。她和Tanabe與Tanabe的父親進(jìn)行了商議，對(duì)加工這樣一個(gè)腔室進(jìn)行了了解，然后去日本做了初步的組裝和測(cè)試。Tanabe的父親將最終的腔室稱為“室內(nèi)幼兒園項(xiàng)目”，但是它起作用了。然而，在它的原生狀態(tài)下，打開(kāi)的腔室會(huì)向各個(gè)方向發(fā)射能量。相反，腔室頂部覆蓋有一個(gè)有孔的網(wǎng)格，小于包含在腔室的能量的波長(zhǎng)。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(diǎn)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(huì)接觸到所有能量?jī)?chǔ)存空間的邊界。要記得，波長(zhǎng)如何就是與小鼠產(chǎn)生共鳴的精確波長(zhǎng)。小鼠基本上就變成了一個(gè)管道，從腔室釋放出能量，進(jìn)入它的身體，在那里它被設(shè)備中一個(gè)2毫米的線圈捕獲。

無(wú)論小鼠是否移動(dòng)，它的身體都會(huì)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(chǔ)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(dòng)力傳遞方式，該研究團(tuán)隊(duì)制造出這樣一個(gè)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(wú)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(gè)信號(hào)，這在以前光遺傳學(xué)是無(wú)法達(dá)到的。

該研究小組稱，這種設(shè)備和新的動(dòng)力機(jī)制，為一系列新的實(shí)驗(yàn)開(kāi)辟了途徑，可以更好地理解和治療精神健康障礙、運(yùn)動(dòng)障礙和內(nèi)部器官的疾病。他們有一個(gè)斯坦福Bio-X項(xiàng)目，來(lái)探索并可能開(kāi)發(fā)新的慢性疼痛治療方法。