生物小鼠植入技术，为大脑研究和治疗干预带来新机会

文/陈根

光遗传学是一项极具前景的技术,它允许对神经元活动进行靶向的时空操作,用于神经回路的解剖和治疗干预。近年来,无线光遗传学技术的进展使研究人员能够在更自然的条件下,通过将动物来研究大脑回路。

近日,韩国科学技术高等研究院(KAIST)的一支团队称,他们已经在去年研究的基础上,打造出了一款“即插即用”式的大脑植入物。其特点是能够通过厚度与头发丝相当的探针(直达目标神经元)、以及微小的 LED 发光器件,来改变那些光敏性脑细胞的行为。

这项由Jae Woong Jeong教授领导的研究是他在2019年开发的无线头戴式植入神经装置的一个进步。对于新的升级版本,研究团队提出了一种完全可植入的软光电系统,可以通过智能手机远程选择性控制。

近年来,无线植入式设备技术最近成为传统植入物的替代品,因为它们有助于在大脑研究期间将自由活动动物的压力和炎症降至最低,从而延长设备的使用寿命。然而,这类设备要么需要间歇性手术来更换已放电的电池,要么需要特殊而庞大的无线电源设置,这既限制了实验选择,也限制了动物实验的可扩展性。

为了实现无线电池充电和控制,研究人员开发了一种微型电路,将无线能量采集器、线圈天线和蓝牙低能芯片集成在一起。交变磁场可以无害地穿透组织,在装置内部产生电能给电池充电。然后,电池供电的蓝牙植入物通过一个“易于使用”的智能手机应用程序向脑细胞提供可编程的光模式,实现大脑的实时控制。

研究人员表示,这个装置可以随时随地操作,以操纵神经回路,这使得它成为研究大脑功能的一个非常通用的工具。

神经科学家已在大鼠身上成功地测试了这些植入物,并证明了它们在给大鼠注射可卡因后能够抑制可卡因诱导的行为。具体来说,是通过使用智能手机控制的发光二极管对大脑中的相关目标神经元进行精确的光刺激来实现的。此外,植入物中的电池可以在大鼠自由活动时重复充电,从而最大限度地减少对实验的任何物理干扰。

显然,这项技术将支持各种途径下的大脑研究,并且可能为大脑研究和治疗干预带来新的机会,以治疗大脑和其他器官的疾病。