脑科学届的革命：3D芯片精确控制脑神经

 

用光精确地控制神经元可以在脑科学研究和脑疾病治疗方面掀起一场革命。

光遗传学把光敏基因和光源结合在一起，用来选择性地打开或关闭大脑。光遗传学已经成为有希望的研究工具和潜在疗法。不过，这一技术大部分时候只把光打到某个点上，而脑部活动经常包括不同区域以复杂的顺序被激活。一个新的设备可以让光遗传学变成三维技术，把光的模式发送到脑部不同坐标的神经元上。

“在接下来的几年里，会出现大量的类似设备，”布朗大学纳米光学和神经工程实验室（Nanophotonics and Neuroengineering Laboratory）的研究助理教授伊尔凯尔•厄兹登（Ilker Ozden）说。Ozden并没有参与这项研究，但却是几个研发类似技术的研究人员之一。

论文的通讯作者埃德•博伊登（Ed Boyden）表示：“大脑是一个3D的东西。” 博伊登还是MIT媒体实验室合成生物学研究组（Synthetic Biology Group）的主任。

到目前为止，大多数光遗传学研究只用一两根光纤打开或关闭一小块脑部组织。很多实验室正在寻找提升控制级别的方法。博伊登说，使用一束光就好像用一个音符演奏，而3D探测器让“像弹钢琴一样操纵大脑”变成了可能。

光控：这幅光学显微照片显示了三维光探针列，可用激光和微镜进行任意模式的照明。

这一光学遗传设备能以设定好的模式激活脑细胞。

两年前，博伊登的团队和MIT的克利夫顿•芳斯塔德（Clifton Fonstad）实验室合作，发明了线性光遗传学探测器。这款探测器带有很多名为波导管（waveguide）的平行通道，可以引导光线射到探测器指向的不同点中的任何一个点。

新设备发表在《光学快报》（Optics Letters）上。在它的尖上还带有一个可移植的，精细制造的部位，可以在不同深度上发光。博伊登的团队利用激光光源和一列微小的镜子（可以把光导向或导离波导管）创建时间和空间的模式。与此同时，微镜头可以把通过波导管的光导向脑部。波导管一端的镜子可以把光发送到细胞里。

虽然论文没有展示设备在脑部的应用，但是博伊登表示他的团队正把设备植入活体小鼠的脑部，并按照模式激活神经元。

“有了3D阵列以后，我们可以做很多之前做不到的事，” 博伊登说。例如，该技术可用来系统地精确定位产生某个行为的特定细胞区域，或是产生随机的模式并研究它们的效果。

它还可以制造出控制性更强、更灵活的基于光遗传学的神经假体。厄兹登说，这样的神经假体必须对不同的脑区产生不同的刺激模式才会有效。博伊登表示另外一个长期目标是理解疾病恶化或是脑部对疗法作出反应时脑活动的特定顺序。