在老鼠的頭骨中嵌入神經(jīng)植入物，通過激活植入物，老鼠會(huì)立即開始互動(dòng)并成為朋友；當(dāng)他們關(guān)掉植入物后，它們的「友誼」就停止了。

這就是美國西北大學(xué)的工程師和生物學(xué)家發(fā)布的最新研究，相關(guān)報(bào)告發(fā)布在Nature Neuroscience上。

這是首次通過無線編程使老鼠能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)社交互動(dòng)，而且，取消編程，老鼠的社交互動(dòng)也隨即停止。

該研究首創(chuàng)的超小型、無線、無電池、完全可植入的裝置，該裝置利用光來激活神經(jīng)元。

該論文是第一個(gè)探索動(dòng)物群體內(nèi)的社會(huì)互動(dòng)的光遺傳學(xué)論文。

光遺傳學(xué)一種用光控制神經(jīng)元的方法，整合了光學(xué)、軟件控制、基因操作技術(shù)、電生理等多學(xué)科交叉的技術(shù)。

自2005年，斯坦福大學(xué)Karl Deisseroth實(shí)驗(yàn)室通過在神經(jīng)細(xì)胞中表達(dá)光敏蛋白，響應(yīng)不同波長(zhǎng)的光刺激實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)功能的調(diào)控，宣布人類正式擁有了精準(zhǔn)操控大腦的工具。

從此，切斷電線！

植入物輕薄、靈活、無線，植入后不影響老鼠的日常活動(dòng)，這也使研究人員有機(jī)會(huì)觀察真實(shí)自然環(huán)境中老鼠的活動(dòng)情況。

而之前，光遺傳學(xué)研究需要使用光纖導(dǎo)線，以此來限制老鼠的活動(dòng)，這也會(huì)造成老鼠在互動(dòng)過程或復(fù)雜環(huán)境中的被纏住。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者、論文通訊作者、西北大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)家Yevgenia Kozorovitskiy說: 「使用先前的技術(shù)，我們無法觀察到多種動(dòng)物在復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行社交活動(dòng)，因?yàn)樗鼈儽还饫w牽制住了。光纖會(huì)斷裂，或者動(dòng)物會(huì)被纏住。為了在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中提出關(guān)于動(dòng)物行為的更復(fù)雜的問題，我們需要這種創(chuàng)新的無線技術(shù)。擺脫束縛的感覺真是太棒了。」

論文通訊作者、西北大學(xué)生物電子學(xué)先驅(qū)John A. Rogers說：「這篇論文代表了我們第一次能夠在給定的環(huán)境下，通過對(duì)多個(gè)設(shè)備同時(shí)進(jìn)行完全獨(dú)立的數(shù)字控制，實(shí)現(xiàn)光遺傳學(xué)的無線、無電池植入。單個(gè)動(dòng)物的大腦活動(dòng)是有趣的，但是超越個(gè)體，進(jìn)而研究復(fù)雜的、具有社交互動(dòng)的群體，是神經(jīng)科學(xué)最重要、最令人興奮的前沿領(lǐng)域之一。我們現(xiàn)在有了技術(shù)，可以研究這些群體中個(gè)體之間的聯(lián)系是如何形成和斷開的，以及社會(huì)等級(jí)是如何從這些互動(dòng)中產(chǎn)生的?！?/p>

除了以上兩位通訊作者外，另兩名通訊作者分別是西北大學(xué)McCormick工程學(xué)院工程系 Jan Marcia Achenbach教授黃永剛，和大連理工大學(xué)工程力學(xué)教授解兆謙。

黃永剛教授，與高華健、盧天健、鎖志剛一同被稱作華人固體力學(xué)界「兩健兩剛」

而論文第一作者Yiyuan Yang, Mingzheng Wu以及Abraham Vázquez-Guardado都是西北大學(xué)的學(xué)生。

光遺傳學(xué)或可用于治療失明或癱瘓

由于人類大腦是一個(gè)由近1000億個(gè)相互交織的神經(jīng)元組成的系統(tǒng)，因此要探測(cè)單個(gè)神經(jīng)元甚至是一組神經(jīng)元是極其困難的。

光遺傳學(xué)在2005年左右被引入動(dòng)物模型，它提供了對(duì)特定的、基因靶向的神經(jīng)元的控制，以便以前所未有的細(xì)節(jié)探測(cè)它們，研究它們的連接性或神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。

研究人員首先對(duì)活體老鼠的神經(jīng)元進(jìn)行修飾，使其表達(dá)來自光敏藻類的修飾基因。然后他們可以使用外部光線來特別控制和監(jiān)測(cè)大腦活動(dòng)。

由于涉及到基因工程，這種方法尚未批準(zhǔn)在人類身上進(jìn)行。

Yevgenia Kozorovitskiy說：「這聽起來像科幻小說，但它是一種非常有用的技術(shù)，光遺傳學(xué)有朝一日可能用于治療失明或癱瘓?！?/p>

然而，之前的光遺傳學(xué)研究受到可用光傳輸技術(shù)的限制。雖然研究人員可以很容易地單獨(dú)探測(cè)一只動(dòng)物，但同時(shí)控制動(dòng)物群體中靈活模式的神經(jīng)活動(dòng)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

光纖導(dǎo)線通常從動(dòng)物的頭部出現(xiàn)，連接到外部光源。然后一個(gè)軟件程序可以用來關(guān)閉和打開光，同時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)物的行為。

當(dāng)它們四處移動(dòng)時(shí)，光纖以不同方式被牽動(dòng)，正如預(yù)期的那樣，這些影響改變了動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)模式。

因此，不得不讓人開始思考: 你實(shí)際上在研究什么行為？你是否正在研究自然行為或者與身體約束相關(guān)的行為?

實(shí)時(shí)無線控制

作為無線、可穿戴技術(shù)領(lǐng)域的世界知名領(lǐng)導(dǎo)者，Rogers和他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種小巧的無線設(shè)備，這種設(shè)備可以輕輕地放置在頭骨的外表面，但是卻隱藏在小動(dòng)物的皮毛之下。

這個(gè)半毫米厚的設(shè)備連接著一個(gè)細(xì)小的、靈活的纖維探針，探針的頂端有LED燈，通過一個(gè)微小的顱骨缺口延伸到大腦。

這種微型設(shè)備利用了近場(chǎng)通信協(xié)議，與智能手機(jī)電子支付所使用的技術(shù)相同。研究人員通過計(jì)算機(jī)上的用戶界面實(shí)時(shí)無線控制光線。

圍繞在動(dòng)物外殼周圍的天線為無線設(shè)備提供電力，從而消除了對(duì)笨重電池的需求。

激活植入物，小鼠的社交活動(dòng)增加了

為了證明Rogers的技術(shù)原理，Kozorovitskiy和同事們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，探索光遺傳學(xué)方法在成對(duì)或成群的老鼠之間對(duì)社交互動(dòng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

當(dāng)老鼠在一個(gè)封閉的環(huán)境中身體靠近彼此時(shí)，Kozorovitskiy的團(tuán)隊(duì)無線同步激活了大腦中與高階執(zhí)行功能相關(guān)區(qū)域的一組神經(jīng)元，使它們?cè)黾恿松缃换?dòng)的頻率和持續(xù)時(shí)間。

去同步化這種刺激會(huì)迅速減少同一對(duì)老鼠的互動(dòng)。在一組老鼠中，研究人員可以偏向任意選擇的一對(duì)，使它們比其他老鼠互動(dòng)更多。

Kozorovitskiy表示，一開始我們并沒有想到這個(gè)實(shí)驗(yàn)會(huì)成功，根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，這是對(duì)長(zhǎng)期以來關(guān)于社會(huì)行為中神經(jīng)同步性的一個(gè)主要假設(shè)的首次直接評(píng)估。