无线无电池的植入式光电系统：用光线控制神经元！
导读
近日，美国亚利桑那大学的一项研究揭示出一种更加精致的方法，它可以输送光线控制神经元。这项研究可最终关闭疼痛受体，或者减少严重的神经系统疾病的影响。
背景
前天的文章中，笔者为大家介绍过一种新型无线神经刺激器（针对癫痫与帕金森病等神经系统疾病），也顺便带大家回顾了与神经系统疾病检测与治疗相关的创新技术。
今天，延续这一主题，为大家再介绍一项相关的创新技术。首先，从一项神经科学领域的新技术说起，它就是光遗传学（optogenetics）。
什么是光遗传学？
光遗传学，是一项采用光线打开或者关闭大脑中特定神经元组的生物技术。例如，研究人员采用光遗传学刺激来恢复瘫痪情况下的运动能力，或者未来关闭大脑或脊椎中引发疼痛的区域，消除人们对于阿片类药物或者其他止痛片的需要以及日益增长的依赖性。
（图片来源：维基百科）
与以往介绍的诸多创新技术一样，光遗传学也是一门交叉学科的创新技术，它整合了光学、软件控制、基因操作技术、电生理等多个学科的知识。
2010年，光遗传学技术被《Nature Methods》杂志评选为所有科学与工程领域中“年度最受关注科技成果技术”之一，同年《科学》杂志也在十年技术回顾中着重强调了这项进展。
光遗传技术，具有独特的高时空分辨率和细胞类型特异性两大特点，克服了传统手段控制细胞或有机体活动的许多缺点，能对神经元进行非侵入式的精准定位刺激操作，从而彻底改变了神经科学领域的研究状况，为神经科学提供了革命性的研究手段。光遗传技术在将来还有可能发展出一系列中枢神经系统疾病的新疗法。
近年来，光遗传学技术飞速发展，应用研究领域涵盖多个经典实验动物种系（果蝇、线虫、小鼠、大鼠、绒猴、食蟹猴等），并涉及神经科学研究的多个方面，包括神经环路基础研究、学习记忆研究、成瘾性研究、运动障碍、睡眠障碍、帕金森症模型、抑郁症和焦虑症动物模型等应用。
创新
近日，美国亚利桑那大学（University of Arizona）的一项研究揭示出一种更精致的方法，它可以输送光线控制神经元。这项研究可最终关闭疼痛受体，或者减少严重的神经系统疾病的影响。
（图片来源：Philipp Gutruf）
亚利桑那大学生物医疗工程系教授 Philipp Gutruf 是相关论文的第一作者。题为“神经科学研究中的无电池、多模态操作的完全植入式光电系统（Fully implantable, optoelectronic systems
for battery-free, multimodal operation in neuroscience research）”的论文发表在《自然电子学（Nature Electronics）》期刊上。
技术
Gutruf 表示：“我们正在制作工具以理解大脑中不同部分的工作机制。光遗传学的优势在于你拥有了细胞特异性，也就是说，你可以瞄准特定的神经元组，研究它们在整个大脑中的功能和关联。”
光遗传学中，研究人员们通过称为“视蛋白”的蛋白质，装载特定的神经元，将光线转化为形成神经元功能的电势。视蛋白是感光物质的主要组成部分，包括视觉系统中的视蛋白和非视觉系统中的视蛋白两大类，在视觉成像和生物钟昼夜节律同步调节方面起着至关重要的作用。当研究人员将光线照射在大脑中的某个部位上时，它只激活了视蛋白装载的神经元。
光遗传学的第一次迭代，是通过光纤向大脑发射光线，这意味着受试者被控制台所束缚。后来，研究人员们用无线电子设备开发出一项无需电池的技术，这意味着受试者可以自由活动。
但是，这些设备仍然具有自己的局限性：笨重且通常需要突兀地连接在头盖骨外侧，无法用光线的频率或者强度来精准控制，而且一次只能刺激大脑中的一个区域。
Gutruf 表示：“通过这项研究，我们前进了两到三步。我们能够实现对发射光线强度和频率的数字控制，并且设备也非常小型化，所以它们可以植入到头皮下。我们也可以独立地刺激同一个受试者大脑中的多个位置，这在之前是不可能的。”
控制光线强度的能力非常重要，因为这种能力让研究人员们可以准确控制光线影响大脑的程度。光线越强，能到达的地方就越远。此外，控制光线强度，意味着控制光源产生的热量，避免神经元因为热量而被意外激活。
这种无线、无需电池的植入物，由外部振荡磁场供电。而且，除了先进的功能，它们的重量与尺寸也没有比之前的版本增加许多。此外，新型天线设计解决了之前版本的光遗传学设备所面临的问题。在之前的设备中，传输至设备的信号强度根据大脑的角度而不同：受试者转头时，信号将会变弱。
数字控制的多模态光遗传学植入物（图片来源：参考资料【2】）
电子与光学特性（图片来源：参考资料【2】）
价值
Gutruf 表示：“这个系统在一个包壳中含有两个天线，我们可以非常快速地来回切换信号，从而可以在任何方向上为植入物供电。未来，这项技术所提供的无需电池的植入物将提供不间断的刺激，无需移除或者替换设备，比现有的起搏器或者刺激技术所带来的创伤更小。”
设备的植入过程，类似于为人们装上神经刺激器或者“脑起搏器”的简单手术。它们不会为受试者带来不良影响，其功能也不会在体内随着时间的推移而退化。这项技术有望带来类似“起搏器”的医疗设备，而这些医疗设备目前每五年至十五年就要更换一次。
这篇论文也演示了，植入这些设备的动物可安全地通过电子计算机断层扫描（CT）成像或者磁共振成像（MRI），从而为临床相关参数例如骨骼和组织的状态以及设备的放置，带来更深入的见解。
（图片来源：Philipp Gutruf）
关键字
参考资料
【1】https://news.engineering.arizona.edu/news/controlling-neurons-light-without-wires-or-batteries
【2】http://dx.doi.org/10.1038/s41928-018-0175-0
【3】https://en.wikipedia.org/wiki/Optogenetics
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