华人力学家黄永刚团队新作:大脑光遗传植入让小老鼠一秒变基友

新智元2021-05-12
好朋友 or 路人甲?一秒切换

编者按:本文来自微信公众号“新智元”(ID:AI_era),作者:新智元,编辑:LQ,36氪经授权发布。

美国西北大学的研究人员将超小型、无线、无电池的装置植入老鼠头骨,通过无线编程控制老鼠的社交,好朋友 or 路人甲,全靠装置一秒切换。

在老鼠的头骨中嵌入神经植入物,通过激活植入物,老鼠会立即开始互动并成为朋友;当他们关掉植入物后,它们的「友谊」就停止了。

这就是美国西北大学的工程师和生物学家发布的最新研究,相关报告发布在Nature Neuroscience上。

这是首次通过无线编程使老鼠能够进行实时社交互动,而且,取消编程,老鼠的社交互动也随即停止。

该研究首创的超小型、无线、无电池、完全可植入的装置,该装置利用光来激活神经元。

该论文是第一个探索动物群体内的社会互动的光遗传学论文。

光遗传学一种用光控制神经元的方法,整合了光学、软件控制、基因操作技术、电生理等多学科交叉的技术。

自2005年,斯坦福大学Karl Deisseroth实验室通过在神经细胞中表达光敏蛋白,响应不同波长的光刺激实现对神经功能的调控,宣布人类正式拥有了精准操控大脑的工具。

从此,切断电线!

植入物轻薄、灵活、无线,植入后不影响老鼠的日常活动,这也使研究人员有机会观察真实自然环境中老鼠的活动情况。

而之前,光遗传学研究需要使用光纤导线,以此来限制老鼠的活动,这也会造成老鼠在互动过程或复杂环境中的被缠住。

这个实验的设计者、论文通讯作者、西北大学神经生物学家Yevgenia Kozorovitskiy说: 「使用先前的技术,我们无法观察到多种动物在复杂环境中进行社交活动,因为它们被光纤牵制住了。光纤会断裂,或者动物会被缠住。为了在现实环境中提出关于动物行为的更复杂的问题,我们需要这种创新的无线技术。摆脱束缚的感觉真是太棒了。」

论文通讯作者、西北大学生物电子学先驱John A. Rogers说:「这篇论文代表了我们第一次能够在给定的环境下,通过对多个设备同时进行完全独立的数字控制,实现光遗传学的无线、无电池植入。单个动物的大脑活动是有趣的,但是超越个体,进而研究复杂的、具有社交互动的群体,是神经科学最重要、最令人兴奋的前沿领域之一。我们现在有了技术,可以研究这些群体中个体之间的联系是如何形成和断开的,以及社会等级是如何从这些互动中产生的。」

除了以上两位通讯作者外,另两名通讯作者分别是西北大学McCormick工程学院工程系 JanMarcia Achenbach教授黄永刚,和大连理工大学工程力学教授解兆谦。

黄永刚教授,与高华健、卢天健、锁志刚一同被称作华人固体力学界「两健两刚」

而论文第一作者Yiyuan Yang, Mingzheng Wu以及Abraham Vázquez-Guardado都是西北大学的学生。

光遗传学或可用于治疗失明或瘫痪

由于人类大脑是一个由近1000亿个相互交织的神经元组成的系统,因此要探测单个神经元甚至是一组神经元是极其困难的。

光遗传学在2005年左右被引入动物模型,它提供了对特定的、基因靶向的神经元的控制,以便以前所未有的细节探测它们,研究它们的连接性或神经递质的释放。

研究人员首先对活体老鼠的神经元进行修饰,使其表达来自光敏藻类的修饰基因。然后他们可以使用外部光线来特别控制和监测大脑活动。

由于涉及到基因工程,这种方法尚未批准在人类身上进行。

Yevgenia Kozorovitskiy说:「这听起来像科幻小说,但它是一种非常有用的技术,光遗传学有朝一日可能用于治疗失明或瘫痪。」

然而,之前的光遗传学研究受到可用光传输技术的限制。虽然研究人员可以很容易地单独探测一只动物,但同时控制动物群体中灵活模式的神经活动是一个挑战。

光纤导线通常从动物的头部出现,连接到外部光源。然后一个软件程序可以用来关闭和打开光,同时监测动物的行为。

当它们四处移动时,光纤以不同方式被牵动,正如预期的那样,这些影响改变了动物的运动模式。

因此,不得不让人开始思考: 你实际上在研究什么行为?你是否正在研究自然行为或者与身体约束相关的行为?

实时无线控制

作为无线、可穿戴技术领域的世界知名领导者,Rogers和他的团队开发了一种小巧的无线设备,这种设备可以轻轻地放置在头骨的外表面,但是却隐藏在小动物的皮毛之下。

这个半毫米厚的设备连接着一个细小的、灵活的纤维探针,探针的顶端有LED灯,通过一个微小的颅骨缺口延伸到大脑。

这种微型设备利用了近场通信协议,与智能手机电子支付所使用的技术相同。研究人员通过计算机上的用户界面实时无线控制光线。

围绕在动物外壳周围的天线为无线设备提供电力,从而消除了对笨重电池的需求。

激活植入物,小鼠的社交活动增加了

为了证明Rogers的技术原理,Kozorovitskiy和同事们设计了一个实验,探索光遗传学方法在成对或成群的老鼠之间对社交互动进行远程控制。

当老鼠在一个封闭的环境中身体靠近彼此时,Kozorovitskiy的团队无线同步激活了大脑中与高阶执行功能相关区域的一组神经元,使它们增加了社交互动的频率和持续时间。

去同步化这种刺激会迅速减少同一对老鼠的互动。在一组老鼠中,研究人员可以偏向任意选择的一对,使它们比其他老鼠互动更多。

Kozorovitskiy表示,一开始我们并没有想到这个实验会成功,根据我们的经验,这是对长期以来关于社会行为中神经同步性的一个主要假设的首次直接评估。

参考资料

https://news.northwestern.edu/stories/2021/05/implanted-wireless-device-triggers-mice-to-form-instant-bond/

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