腦科學(xué)屆的革命：3D芯片精確控制腦神經(jīng)

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用光精確地控制神經(jīng)元可以在腦科學(xué)研究和腦疾病治療方面掀起一場革命。

光遺傳學(xué)把光敏基因和光源結(jié)合在一起，用來選擇性地打開或關(guān)閉大腦。光遺傳學(xué)已經(jīng)成為有希望的研究工具和潛在療法。不過，這一技術(shù)大部分時候只把光打到某個點上，而腦部活動經(jīng)常包括不同區(qū)域以復(fù)雜的順序被激活。一個新的設(shè)備可以讓光遺傳學(xué)變成三維技術(shù)，把光的模式發(fā)送到腦部不同坐標(biāo)的神經(jīng)元上。

“在接下來的幾年里，會出現(xiàn)大量的類似設(shè)備，”布朗大學(xué)納米光學(xué)和神經(jīng)工程實驗室（Nanophotonics and Neuroengineering Laboratory）的研究助理教授伊爾凱爾?厄茲登（Ilker Ozden）說。Ozden并沒有參與這項研究，但卻是幾個研發(fā)類似技術(shù)的研究人員之一。

論文的通訊作者埃德?博伊登（Ed Boyden）表示：“大腦是一個3D的東西?！?博伊登還是MIT媒體實驗室合成生物學(xué)研究組（Synthetic Biology Group）的主任。

到目前為止，大多數(shù)光遺傳學(xué)研究只用一兩根光纖打開或關(guān)閉一小塊腦部組織。很多實驗室正在尋找提升控制級別的方法。博伊登說，使用一束光就好像用一個音符演奏，而3D探測器讓“像彈鋼琴一樣操縱大腦”變成了可能。

光控：這幅光學(xué)顯微照片顯示了三維光探針列，可用激光和微鏡進行任意模式的照明。

這一光學(xué)遺傳設(shè)備能以設(shè)定好的模式激活腦細(xì)胞。

兩年前，博伊登的團隊和MIT的克利夫頓?芳斯塔德（Clifton Fonstad）實驗室合作，發(fā)明了線性光遺傳學(xué)探測器。這款探測器帶有很多名為波導(dǎo)管（waveguide）的平行通道，可以引導(dǎo)光線射到探測器指向的不同點中的任何一個點。

新設(shè)備發(fā)表在《光學(xué)快報》（Optics Letters）上。在它的尖上還帶有一個可移植的，精細(xì)制造的部位，可以在不同深度上發(fā)光。博伊登的團隊利用激光光源和一列微小的鏡子（可以把光導(dǎo)向或?qū)щx波導(dǎo)管）創(chuàng)建時間和空間的模式。與此同時，微鏡頭可以把通過波導(dǎo)管的光導(dǎo)向腦部。波導(dǎo)管一端的鏡子可以把光發(fā)送到細(xì)胞里。

雖然論文沒有展示設(shè)備在腦部的應(yīng)用，但是博伊登表示他的團隊正把設(shè)備植入活體小鼠的腦部，并按照模式激活神經(jīng)元。

“有了3D陣列以后，我們可以做很多之前做不到的事，” 博伊登說。例如，該技術(shù)可用來系統(tǒng)地精確定位產(chǎn)生某個行為的特定細(xì)胞區(qū)域，或是產(chǎn)生隨機的模式并研究它們的效果。

它還可以制造出控制性更強、更靈活的基于光遺傳學(xué)的神經(jīng)假體。厄茲登說，這樣的神經(jīng)假體必須對不同的腦區(qū)產(chǎn)生不同的刺激模式才會有效。博伊登表示另外一個長期目標(biāo)是理解疾病惡化或是腦部對療法作出反應(yīng)時腦活動的特定順序。