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無(wú)需植入控制設(shè)備，就能遠(yuǎn)程“操縱”生物大腦？

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

盡管這次的實(shí)驗(yàn)對(duì)象不是人類(lèi)而是小鼠，不少網(wǎng)友看過(guò)后第一反應(yīng)還是“太危險(xiǎn)了”、“有點(diǎn)反人類(lèi)”：

所以，這真的是一項(xiàng)特別可怕的技術(shù)么？

事實(shí)上，這項(xiàng)研究主要是通過(guò)一定的技術(shù)手段，使用特殊光線照射小鼠頭部，開(kāi)啟它的“運(yùn)動(dòng)模式”——老忍不住想轉(zhuǎn)悠。

可以說(shuō)是真·物理鍛煉了（手動(dòng)狗頭）。

而且，這項(xiàng)技術(shù)確實(shí)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(guò)不侵入大腦的方式，成功遠(yuǎn)距離控制正常生物的神經(jīng)回路。

整個(gè)過(guò)程中，沒(méi)有植入設(shè)備，也沒(méi)有對(duì)小鼠的頭皮和頭骨造成損傷。

同時(shí)，它也不僅是一項(xiàng)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(jià)值。

下面我們具體來(lái)看一下。

利用近紅外光，遠(yuǎn)程操控腦細(xì)胞

事實(shí)上，用光來(lái)控制腦細(xì)胞，已經(jīng)是個(gè)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(píng)為過(guò)去十年“生物領(lǐng)域10大突破研究”之一，甚至一度被預(yù)測(cè)是諾獎(jiǎng)級(jí)研究成果（獲評(píng)過(guò)“諾獎(jiǎng)風(fēng)向標(biāo)”拉斯克獎(jiǎng)）。

這項(xiàng)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(dá)出光敏蛋白。

然后，再用特定波長(zhǎng)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(dá)到“控制腦細(xì)胞”的目的。

BUT，這項(xiàng)技術(shù)一直有個(gè)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?yàn)?，光遺傳學(xué)嚴(yán)重依賴可見(jiàn)光，而大腦又是不透明的，沒(méi)辦法被可見(jiàn)光穿過(guò)。

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

最新的這項(xiàng)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(guò)光信號(hào)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(jiǎng)就是頒給了它的發(fā)現(xiàn)者。

具體來(lái)說(shuō)，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(huì)對(duì)熱和疼痛產(chǎn)生反應(yīng)的離子通道蛋白，也就是對(duì)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(jué)能力。

不過(guò)，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(duì)近紅外光的熱信號(hào)不起作用，因?yàn)楣鉄嵝盘?hào)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(jì)了一種“傳感器”分子，叫做MINDS，專(zhuān)門(mén)用來(lái)吸收和放大紅外光。

這樣一來(lái)，就完成了整個(gè)系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)。

希望用于治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病

接下來(lái)是進(jìn)行更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證這種理論是否可行。

科學(xué)家們先是在小鼠大腦運(yùn)動(dòng)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(kāi)時(shí)，一開(kāi)始只在小范圍活動(dòng)的小鼠，立刻開(kāi)始繞圈，大幅增加活動(dòng)范圍。

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

對(duì)照組的小鼠卻沒(méi)有這種反應(yīng)。

也就是說(shuō)，近紅外光對(duì)小鼠的大腦運(yùn)動(dòng)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(dá)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(duì)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(shí)間最久。

△ 不同顏色代表小鼠停留的時(shí)間，紅色最久

嗯，又奏效了。

而運(yùn)動(dòng)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(shuō)明，這種通過(guò)近紅外光控制的非侵入式方法對(duì)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(guó)松介紹，這項(xiàng)研究的目的，主要是希望通過(guò)這種非侵入的方法，實(shí)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(dòng)（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(jìn)一步地，這種方法也有助于更好地了解人類(lèi)認(rèn)知系統(tǒng)。

這項(xiàng)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(guò)這項(xiàng)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(lái)自華人團(tuán)隊(duì)

這項(xiàng)研究由斯坦福大學(xué)的洪國(guó)松團(tuán)隊(duì)、以及新加坡南洋理工大學(xué)的浦侃裔團(tuán)隊(duì)合作完成。

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

通訊作者為洪國(guó)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(zèng)改名）的助理教授。

他本科畢業(yè)于北京大學(xué)，后來(lái)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(jìn)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(guó)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(guó)立大學(xué)獲得博士學(xué)位，并于斯坦福大學(xué)進(jìn)行過(guò)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(xiàng)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