Nature子刊：光遗传学植入装置重要突破

最近，斯坦福大学的科学家们开发出一种微型装置，将光遗传学（用光控制大脑活动），和一种新开发的无线充电植入装置相结合，是第一种完全内置的光遗传学传递方法。

该装置大大扩展了通过光遗传学技术进行的研究的范围，实验涉及到封闭空间里的小鼠，或与其他动物自由交流的小鼠。这项研究结果发表在八月十七日的Nature旗下子刊《Nature Methods》。

斯坦福大学电气工程助理教授Ada Poon说：“这是为光遗传学提供无线电能的一种新方法。这种装置明显更小，小鼠可以在实验过程中四处运动。”

该装置可在实验室中进行安装和重新配置，用于不同的用途，并且电源是公开可用的。Poon说：“我认为，其他实验室也能够将这种方法用于他们的工作。”

按比例缩放

传统上，光遗传学必需有一条光纤附着于小鼠的头部，以传递光并控制神经。带上这个有点约束性的“头饰”，小鼠可以在敞开的笼子里自由移动，但不能像没有障碍的小鼠同伴那样，待在一个封闭的空间，或钻入一堆睡着的同伴当中。另外，在一次实验之前，科学家必须处理小鼠来连接电缆，这会使小鼠情绪紧张，并可能对实验结果有影响。

这些限制条件，使我们通过光遗传学技术获得的结果是有限的。人们已经成功地研究了一系列的科学问题，包括如何缓解帕金森病的震颤、传递疼痛的神经元的功能和中风的可能疗法。然而，解决具有社会成分的问题，如抑郁症或焦虑症，或者当小鼠是被拴着的时候，涉及迷宫和其他类型的复杂运动，都更具有挑战性。

2014年，Poon的团队研制出了一种无限充电方案，能为植入体内的电子仪器提供中场无线充电，这一结果引起了国际的广泛关注。尽管这种能力在世界光遗传学界是急需的，但是Poon直到参加了一个神经工程研讨会才意识到这一点，这次会议汇聚了来自神经科学及工程学院的学者。

在那次研讨会中Poon遇见了Logan Grosenick，他是光遗传学之父、斯坦福大学的生物工程学、精神病学和行为科学教授Karl Deisseroth实验室的研究生。但Grosenick没时间带领这一合作项目。

通过后续的对话，Poon最终遇见了研究生Kate Montgomery，他在生物工程和机械工程教授Scott Delp的实验室工作，并与Deisseroth教授有合作。作为该研究论文的共同第一作者，Montgomery说：“自那时以来，我们的实验室就建立了一种持久的科学关系。”

在锡帽设计接管互联网之前，重要的是要澄清一点：光遗传学只对某类神经元起作用，这些神经元已被精心处理，包含了对光产生反应的蛋白质。在实验室里，科学家们可以培育小鼠，使它们在选择的神经元中含有这些蛋白质，也可以小心、费力地向牙线大小的神经元中，注射携带这些蛋白DNA的病毒。用光线――无论是通过光纤电缆还是通过无线设备，照射没有接受处理的神经元，没有影响。

充电

Poon说，开发一种微型设备来提供光，是比较容易的。她和她的同事们研发了这一设备，并且它起作用了。但是，比较难的一点在于：如何广泛地为其供电，而不影响电源效率。

在行为学实验中，小鼠会四处移动，研究人员需要一种方法，来跟踪它的运动，以提供局部性电源。Poon知道，其他实验室正在使用笨重的设备，来解决同样的问题，这些设备贴在动物的头骨上，以复杂的线圈阵列与传感器配对，来定位小鼠，并提供局部电源。

Poon说：“我们是懒惰的。这听起来工作量很大。”因此，她产生了一个疯狂的想法，用小鼠自己的身体来传输无线电频率，只不过是在小鼠中产生共鸣的正确波长。这种想法可能是疯狂的，但它起作用了，她与新加坡国立大学的助理教授John Ho，作为共同第一作者在八月四日的《Physical Review Applied》发表了这些研究结果。

虽然Poon有想法，但一开始并不知道如何构建一个腔室，来扩大和储存无线电频率。她和Tanabe与Tanabe的父亲进行了商议，对加工这样一个腔室进行了了解，然后去日本做了初步的组装和测试。Tanabe的父亲将最终的腔室称为“室内幼儿园项目”，但是它起作用了。然而，在它的原生状态下，打开的腔室会向各个方向发射能量。相反，腔室顶部覆盖有一个有孔的网格，小于包含在腔室的能量的波长。这基本上将能量捕获在腔室内。

关键在于，网格有一点回旋的余地。因此，如果有类似小鼠爪之类事情存在的话，它会接触到所有能量储存空间的边界。要记得，波长如何就是与小鼠产生共鸣的精确波长。小鼠基本上就变成了一个管道，从腔室释放出能量，进入它的身体，在那里它被设备中一个2毫米的线圈捕获。

无论小鼠是否移动，它的身体都会与能量接触，吸引它并给设备供电。在其他地方，能量被整齐地储存。这样，小鼠就变成了它自己的定位装置，用于传送电源。

有了这种新型的动力传递方式，该研究团队制造出这样一个小型装置。在这种情况下，大小是至关重要的。该装置首次尝试无线光遗传学，小到可以植入皮肤下，甚至可以引发肌肉或某些器官中的一个信号，这在以前光遗传学是无法达到的。

该研究小组称，这种设备和新的动力机制，为一系列新的实验开辟了途径，可以更好地理解和治疗精神健康障碍、运动障碍和内部器官的疾病。他们有一个斯坦福Bio-X项目，来探索并可能开发新的慢性疼痛治疗方法。

（转化医学网360zhyx.com）