無需植入控制設(shè)備，就能遠程“操縱”生物大腦？

最新發(fā)表在Nature子刊上的一項研究，一經(jīng)登出便沖上熱搜：

盡管這次的實驗對象不是人類而是小鼠，不少網(wǎng)友看過后第一反應(yīng)還是“太危險了”、“有點反人類”：

所以，這真的是一項特別可怕的技術(shù)么？

事實上，這項研究主要是通過一定的技術(shù)手段，使用特殊光線照射小鼠頭部，開啟它的“運動模式”——老忍不住想轉(zhuǎn)悠。

可以說是真·物理鍛煉了（手動狗頭）。

而且，這項技術(shù)確實極具突破性。

據(jù)斯坦福大學(xué)介紹，這是科學(xué)家第一次通過不侵入大腦的方式，成功遠距離控制正常生物的神經(jīng)回路。

整個過程中，沒有植入設(shè)備，也沒有對小鼠的頭皮和頭骨造成損傷。

同時，它也不僅是一項技術(shù)探索，還在治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病上有一定應(yīng)用價值。

下面我們具體來看一下。

利用近紅外光，遠程操控腦細(xì)胞

事實上，用光來控制腦細(xì)胞，已經(jīng)是個比較成熟的研究了。

最典型的技術(shù)之一，就是光遺傳學(xué)，它曾被Science評為過去十年“生物領(lǐng)域10大突破研究”之一，甚至一度被預(yù)測是諾獎級研究成果（獲評過“諾獎風(fēng)向標(biāo)”拉斯克獎）。

這項技術(shù)也是被斯坦福大學(xué)提出，具體指將外源（并非體內(nèi)自然產(chǎn)生的）光敏蛋白基因?qū)肽X細(xì)胞中，讓腦細(xì)胞在細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)上表達出光敏蛋白。

然后，再用特定波長的光去照射這些細(xì)胞，就能控制光敏感蛋白的激活和關(guān)閉，從而激活或抑制大腦中的神經(jīng)元，達到“控制腦細(xì)胞”的目的。

BUT，這項技術(shù)一直有個缺陷——

必須安裝光學(xué)植入設(shè)備，顱骨上還要插根光纖系帶。

這是因為，光遺傳學(xué)嚴(yán)重依賴可見光，而大腦又是不透明的，沒辦法被可見光穿過。

但植入設(shè)備不僅會造成組織損傷，還會限制生物的自由活動，想研究生物自然行為下的腦神經(jīng)活動就會變得困難。

最新的這項研究中，科學(xué)家們終于成功摘掉了小鼠頭上的植入設(shè)備。

他們發(fā)現(xiàn)了一種近紅外光，也就是1000-1700nm的近紅外二區(qū)波段，這種光能在高度散射的腦組織中，保持較高的穿透性。

不植入光學(xué)設(shè)備，如何通過光信號控制腦細(xì)胞呢？

這就要提到生物體內(nèi)一種叫做TRPV1的蛋白質(zhì)，去年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎就是頒給了它的發(fā)現(xiàn)者。

具體來說，它是一種辣椒素（產(chǎn)生灼燒&痛感的東西）受體，也就是一種會對熱和疼痛產(chǎn)生反應(yīng)的離子通道蛋白，也就是對熱&疼痛非常敏感。

把它植入響尾蛇體內(nèi)，響尾蛇就可以在黑夜中捕食溫血獵物；把它植入小鼠視網(wǎng)膜錐體細(xì)胞中，就能賦予了老鼠在紅外光譜中的視覺能力。

不過，科學(xué)家將這種熱敏性分子植入小鼠神經(jīng)元中后發(fā)現(xiàn)，它對近紅外光的熱信號不起作用，因為光熱信號還是太小。

這里的植入，指的是用包裹TRPV1的腺病毒轉(zhuǎn)染目標(biāo)神經(jīng)元，也就是將DNA、RNA或蛋白質(zhì)引入細(xì)胞。

于是，他們又設(shè)計了一種“傳感器”分子，叫做MINDS，專門用來吸收和放大紅外光。

這樣一來，就完成了整個系統(tǒng)的原理設(shè)計。

希望用于治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病

接下來是進行更進一步的實驗，來驗證這種理論是否可行。

科學(xué)家們先是在小鼠大腦運動皮層一側(cè)神經(jīng)元中添加TRPV1通道，再注入MINDS分子，最后觀察小鼠的行為。

△禿頭小鼠，讓光線更容易穿透

他們驚奇地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圍欄上方1m處的紅外燈被打開時，一開始只在小范圍活動的小鼠，立刻開始繞圈，大幅增加活動范圍。

黑線代表照射之前的小鼠活動軌跡，紅線代表照射中，灰線代表照射結(jié)束后。

對照組的小鼠卻沒有這種反應(yīng)。

也就是說，近紅外光對小鼠的大腦運動細(xì)胞的刺激奏效了。

他們還將這兩種分子先后注入小鼠的多巴胺表達神經(jīng)元中，兩天以后，在小鼠呆的Y型迷宮中放置紅外光聚焦裝置。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小鼠對可以刺激多巴胺神經(jīng)元的紅外光“上癮”，呆在光線照射下的時間最久。

△不同顏色代表小鼠停留的時間，紅色最久

嗯，又奏效了。

而運動神經(jīng)元位于大腦上方，多巴胺神經(jīng)元位于大腦底部，這也說明，這種通過近紅外光控制的非侵入式方法對大腦任何區(qū)域的神經(jīng)元都有效。

據(jù)論文通訊作者洪國松介紹，這項研究的目的，主要是希望通過這種非侵入的方法，實現(xiàn)神經(jīng)科學(xué)中最大的未滿足需求之一——

在小鼠在自由活動（比如社交）下，觀察并記錄它們大腦深處特定腦細(xì)胞和回路的功能。

進一步地，這種方法也有助于更好地了解人類認(rèn)知系統(tǒng)。

這項技術(shù)如果最終成熟，可以用于臨床上調(diào)節(jié)病人大腦中的特異神經(jīng)元回路，治療一些神經(jīng)系統(tǒng)的疾病，如癲癇等。

仔細(xì)看過這項研究后，有網(wǎng)友提出，這些研究不僅是探索神經(jīng)元功能非常重要的研究工具和方法，而且也為研究大腦提供了極為重要的基礎(chǔ)：

還有網(wǎng)友希望它能被用于更多疾病、如阿爾茲海默癥的治療中。

研究來自華人團隊

這項研究由斯坦福大學(xué)的洪國松團隊、以及新加坡南洋理工大學(xué)的浦侃裔團隊合作完成。

一作有兩位，一位是來自斯坦福大學(xué)的博士生Wu Xiang，另一位是來自南洋理工大學(xué)的姜語嫣。

通訊作者為洪國松，斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、吳蔡神經(jīng)科學(xué)研究院（由吳明華-蔡崇信夫婦捐贈改名）的助理教授。

他本科畢業(yè)于北京大學(xué)，后來于斯坦福大學(xué)獲得化學(xué)博士學(xué)位后，到哈佛大學(xué)進行博士后工作，并于2018年加入斯坦福大學(xué)，目前的研究方向是材料科學(xué)與神經(jīng)科學(xué)。

△洪國松

共同通訊作者為浦侃裔，新加坡南洋理工大學(xué)副教授，此前本科畢業(yè)于華東理工大學(xué)，在復(fù)旦大學(xué)獲得碩士學(xué)位后，在新加坡國立大學(xué)獲得博士學(xué)位，并于斯坦福大學(xué)進行過博士后工作。

他的研究方向是高分子材料和生物材料，包括納米技術(shù)等，兩位通訊作者論文引用次數(shù)也均在20000+以上。

△浦侃裔

那么，你希望這項研究被應(yīng)用在哪些方向呢？

論文地址

https://www.nature.com/articles/s41551-022-00862-w

參考鏈接

[1]https://www.guosonghong.com/team/

[2]https://neuroscience.stanford.edu/news/researchers-control-brain-circuits-distance-using-infrared-light

[3]https://s.weibo.com/weibo?q=%23%E7%A7%91%E5%AD%A6%E5%AE%B6%E9%A6%96%E6%AC%A1%E9%9D%9E%E4%BE%B5%E5%85%A5%E8%BF%9C%E7%A8%8B%E9%81%A5%E6%8E%A7%E5%A4%A7%E8%84%91%23&from=default

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