新型无线小鼠

科学家们通常利用食物引诱来控制实验室小鼠的行为，或者用气流来驱赶它。不过，我与斯坦福大学实验室的同事们一起找到了一个更直接的方法：我们用光照来控制小鼠的大脑。●我们在小鼠大脑中植入一颗胡椒籽大小的装置。使用无线电源控制系统开启装置后，它发出了蓝光，激活位于脑运动前区的转基因脑细胞，它们会向肌肉发出信号。我们惊讶地看到小鼠停止了随机运动，开始绕着笼子快速地转圈。▶

这种直接精神控制原先只出现在科幻故事中。但是，随着新型光遗传技术的发展，我们已能够利用光线使脑细胞兴奋，激活特定的神经“回路”，从而观察到动物的生理或者行为受到的影响。这类研究的目的是提高医学水平，不仅能让人们更好地了解神经系统，而且也有可能将该技术用于临床治疗。光遗传技术尚未在人类大脑中进行过测试，但神经学家理论上可以使用基于光线的刺激来确定和修复人类神经系统中出现故障的回路。

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由于让光线进入大脑难度太高，这些前景光明的应用已经被推迟了。为应对这一挑战，一些研究人员利用穿过头骨的微小光纤电缆来发射光脉冲。还有一些研究人员则试验了植入性LED器件，这类器件依靠大型电池或笨重的头戴式头盔来获得电力。

我所做的这个转圈小鼠的实验证明可以采用更好的方法。我所在的实验室开发了能够无缝植入体内的电子元件：这个装置只有胡椒籽大小，大约是以往光遗传学装置体积的1%。小鼠身上没有任何电缆、电池或者稀奇古怪的头部设备，所以它能够自由行动——这是涉及迷宫或者游泳测试等常见行为研究的必要条件之一。不仅如此，如果其他小鼠碰到我们的实验小鼠，它们可能不会注意到这只小鼠有什么不同寻常之处——这为大量关于社会行为的实验开辟了道路。

打造这个小装置本身相对容易；困难之处在于，当小鼠在封闭罩里自由跑动时，如何有效地为其供电。我们的解决方案出人意料地采用了无线供电：从笼子底下的共振室中发射无线电波，并由小鼠自身捕捉。通过解决这一光遗传技术难题，我希望神经科学家们能够为解开大脑的黑暗谜团点燃更多希望之光。 

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你是否留意过室内植物是如何慢慢转向阳光充沛的窗户的？类似的植物魔法正是光遗传技术的基础。

其中的原因在于具有趋光性的单细胞绿藻，它的细胞膜上有一种特殊类型的蛋白质。这种蛋白质接受光照的时候，会打开细胞膜上的一个离子通道，从而改变绿藻细胞内的电位并触发两根鞭状的匍匐枝的活动。大约在2005年左右，一些研究小组发现可以提取为这种蛋白质指定遗传密码的基因，并将这一基因插入神经元DNA中。

经过这种方式改造的神经元可以为其自身的细胞膜产生这类蛋白质。之后，当一束光照到神经元上时，蛋白质将打开离子通道，让带电微粒流入。该过程复制了电势的自然变化，这一变化可使神经元“燃烧”，并释放出一种化学物质，使其他相邻的神经元依次燃烧。神经系统通过这些连锁反应来完成工作，依靠电子信号在神经回路中闪变来控制器官活动、随意动作，以及做一些被我们称为“思考”和“产生情绪”等神秘的事情。

神经学家对这些电模式进行研究，但受到了工具精确度低的限制。生物学的大部分发展都来自观察——这意味着科学家所需的工具必须既能够对有机体的自然身体系统产生影响，同时还能让人们观察到发生了什么。通常神经科学技术依赖于电刺激，使用置于头皮上或植入脑中的电极来刺激和记录一组神经元的活动。不过，这些电极相对较大，也比较粗糙，无法针对特定细胞，例如可对记忆编码的海马体中的神经元。

这些限制使我感到苦恼。从工程师的角度来看，对活体进行研究似乎特别麻烦。当我在摆弄集成电路的时候，我可以替换一个晶体管，然后检查芯片还能否工作。如果该芯片无法工作，我就可以断定新的晶体管是导致故障的元凶。而在生物系统中，要分离出一个有意义的变量则困难得多。

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使用光遗传技术，我们能够开闭神经元，就好像它们是电路中的晶体管一样。遗传学家有各种方式（我们就不探讨了）来将必要的基因放入特定的细胞群组中。利用我们的点亮装置，可以开启特定的一组神经元。神经元可以在几毫秒内对光做出反应，得到明显的实验结果。

神经科学家很快就意识到了研究健康的大脑和由于疾病而发生变化的大脑的可能性。比如，一个研究小组最近就在深入钻研一只猴子的大脑，仅对分泌神经化学物质多巴胺（多巴胺在运动控制、诱因、奖励刺激和成瘾方面发挥着至关重要的作用）的神经元进行刺激。与此同时，另一个小组正在研究某些分泌多巴胺的细胞的损伤对帕金森综合征中运动问题的影响机理。虽然这些研究还是在动物身上进行，却可以启发人类医疗。

第一代光遗传技术采用光纤来输送光脉冲穿过头骨，借助牢固的颅脑接口，研究人员能够对目标神经元进行持续照射。在这种方案中，“为线所限”的小鼠可以在开放的笼子中非常自由地活动，但这个系统自身存在缺陷。研究人员必须抓着小鼠将其与光纤连接，这会对动物造成压力，可能影响行为实验的结果。此外，为线所限的小鼠无法在封闭空间中走动，也不能钻到同一笼子里睡着的同伴中。

去除电线是一项艰巨的挑战。一些研究人员试图在LED设备上植入电池组，但要长期使用，这就太大也太重了。另一些研究者使用的植入物较小，但须将笨重的无线电源发射器安在小鼠头上。这些头部装置阻碍了动物的行动自由并改变了它的外形，有可能使这只小鼠无法与它的同类进行正常的社交接触。

我们的目标则是建立一个可以让小鼠在社会环境中自由行动的光遗传系统。采用这一装置，神经科学家可以研究发生运动障碍和神经心理学疾病的大脑回路，深化对医学的认知。 

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正如有的人所说，懒惰才是真正的发明之母。我们之所以发明这一系统，是在研究了光遗传植入物现有的无线供电方法之后，觉得“一定有更简单的办法”。

之前的大部分设备都是通过电磁感应的方式来向大脑输送电能的。这种方式采用一个发射线圈，通过空气将电磁波发送给接收线圈。这并不是一个新想法。尼古拉•特斯拉在20世纪早期就曾经对此进行过实验，该方法近年来也被运用于电动车和智能手机的无线充电。但是，这种能量转移方式有一个很大的缺陷：为了让接收线圈缩小到能被塞进一只小鼠的大脑中，发射装置必须与动物离得很近。要保证小鼠在笼子里四处活动时也能获得电量补充亦相当困难。系统要么必须保持能够覆盖整个封闭罩的强大的电磁场，这会浪费所有未被植入装置接收的能量；要么必须随着小鼠的移动对准它所在的地方，这需要对乱蹦乱跳的小鼠进行追踪。

研究人员曾采用在小鼠的头部或脚上连上无线电信标，或利用位置传感器的方式来解决追踪问题，但这些系统都十分复杂。有些系统甚至模仿了手机网络，在笼子四周放置了多个发射器，就像小型的手机信号发射塔一样，在小鼠位置发生变化时进行切换。在回到学术界以前，我在英特尔和一家创业公司都从事过室内无线系统的设计工作，知道这类系统有多复杂。我希望找到一个简单一点的解决方案。

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我从小鼠自身寻找答案。每个物体在被特定频率的电磁波照射时都会发生共振，这一频率是由物体的几何结构和材料属性决定的。一个包含歌剧演员、声波和玻璃酒杯的经典例子可以帮助我们简单地理解“共振耦合”的大致原理：女高音唱出高音时，声波穿过空气到达玻璃杯，使玻璃杯轻微振动。如果某个音符与玻璃杯的共振频率相同，那么声波就会被玻璃困住，在其中来回反弹。在电影中（有时在实际生活中也会发生），声波可以强到把玻璃震碎。

活生生的小鼠也许看上去和玻璃酒杯完全是两码事，但同样适用这一原理。电磁波可以进入小鼠的身体组织中，其中某一频率的波可以在其体内共振。因此，我的团队使用计算机程序来模仿小鼠的身体，输入小鼠的大致外形和身体组织的介电性质的信息。之后，我们用模拟器来算出一般实验室小鼠的共振频率。下一步，我们打造了一个“共振室”来放大和存储其中一个共振频率的射频能量（大约为1.5千兆赫）。我们将共振室设置在笼子下方，并连上一台市场上可以买到的射频信号发生器。

设置好之后，共振室的顶面就成为了小鼠笼子的底面。如果我们就这样不去动它的话，共振室可以将射频能量困住。但是，如果我们移开共振室顶面，里面的能量就会向各个方向发射，而我们想采用一种有效方式将能量只引向小鼠所在的方向。所以，我们将顶面改成开放的网格状，网格边长比我们所用的无线电波的波长（10厘米）要小得多。这个网格能将能量困在下方的共振室中，直到一个重要时刻来临。

或者说，直到许多重要时刻来临：每当小鼠迈出一步，将爪子放在网格上的时候，它的身体就会变成一根能够接收下方无线电信号的天线。因为小鼠的身体与储存在网格下方的射频能量产生共振，能量从共振室释放出来，电场从小鼠的身体中穿过，到达其脑部植入的LED装置时，2毫米的线圈将能量捕获，将定向能量集中起来，用于为装置充电。因此，无论小鼠在网格上的什么位置活动，它的爪子都能够吸收射频能量，而其他位置的能量则被完整地保留在共振室里。无须对小鼠进行追踪，我们就能一直为到处乱爬的小鼠充电。

我们为脑部设计的装置包含一个电源接收线圈、电路和一个LED。装置仅重20毫克（一只小鼠的头部大约重2克），体积为10立方毫米。除了这个小巧的脑部植入物之外，我们还制作了首个小到可以植入小鼠外周神经系统的光遗传学装置，使我们能够刺激小鼠的脊柱和四肢。这样科学家就可描绘出电信号在小鼠的整个身体中的传播情况。

我们的系统满足了许多神经科学家研究小鼠行为的实验要求。该系统可以在足以进行标准“旷场实验”（该类实验经常被用于试验抗焦虑药物）的区域范围内为装置充电。小鼠们不喜欢明亮的开阔空间，因此它们的行动和探究活动可用来反映其舒适或焦虑程度。我们的系统还可被用于药物测试中经常用到的“位置偏爱”实验。例如，为了对止痛药进行测试，小鼠被允许在安全的封闭罩范围内和另一个会被电击的地点之间自由移动；如果小鼠能够呆在电击房间内，说明止痛药一定起到了作用。我们的系统还可用于家笼实验，这样小鼠就完全无须被研究者摆弄，可以确保小鼠的自然行为。

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我想让全世界的神经科学家都使用我们的技术，因此我在网上发布了我们的最新设计以及操作指导视频。使用现成的工具和便宜的组件可以很容易地搭建无线电源发射器。这一系统也比先前的无线光遗传系统简单易用得多，因为现在这套系统既不需要追踪装置也不需要除了共振腔之外的定制设备。

我希望这种使用上的便利能够使研究者根据需要调整我们的装置。我们现在的技术在小动物（我们为小动物制定模型，并确定正确的共振频率）身上运行良好，类似的方式可能对大鼠或者更大的动物也有效。我猜想科学家们也可以为不同环境配置这一装置，或者调整装置用以研究多只头部被植入了LED的小鼠们之间的互动。 

大家都想知道光遗传技术什么时候能够被用于医疗中。由于这类使用涉及人体细胞的基因改造，所以我们首先需要进行大量安全研究来确定这些改造没有意外后果。

然而，即便光遗传学研究依然属于基础科学研究的范畴，它还是能在短期内为临床医学提供一些益处。利用我们的技术和小鼠，我们实验室正在研究阿兹海默症及其治疗方法。在这种毁灭性疾病的早期阶段，记忆力会丧失。我们使用混合方式，即同时采用光遗传技术和电刺激，来对脑中与记忆相关的的区域——海马体内的神经元——进行研究。

我们是这么做的：确定出那些与小鼠的特定记忆（例如受到疼痛刺激的恐惧经历）相关的区域后，直接使用我们植入的LED装置激活神经元组。很容易看出小鼠是否回忆起了这段经历，因为当它想起来的时候会僵在那里防御性地发抖。一旦通过这种光遗传技术检查确认了关键神经元，就可以将注意力放在同样植入大脑中的电极上。在收集到的准确信息的引导下，我们使用电极在更大范围内刺激海马体，观察并找出哪种刺激能够产生想要的结果。

如果我们能够确定各个记忆的储存位置并找到能让我们的工具套件进入这些位置的方法，我们的工作就可以直接启发临床研究。医生们已经开始利用植入电极来治疗多种神经精神疾病，因此在实验室里学到的经验也可以被转移到临床。我们更高的目标是：找到能唤起阿兹海默症患病小鼠对某种电刺激做出反应的刺激模式，以此帮助科学家发现类似的刺激方式，使阿兹海默症患者记起更多有用信息（比如他们生命中发生的大事或者所爱之人的面孔）。随着光遗传技术越来越先进，精密的脑部研究变得更容易，我相信我们能为神经科学点亮一盏指路明灯。

作者：潘淑欣

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