光遺傳學(xué)把光敏基因和光源結(jié)合在一起，用來選擇性地打開或關(guān)閉大腦。光遺傳學(xué)已經(jīng)成為有希望的研究工具和潛在療法。不過，這一技術(shù)大部分時候只把光打到某個點上，而腦部活動經(jīng)常包括不同區(qū)域以復(fù)雜的順序被激活。一個新的設(shè)備可以讓光遺傳學(xué)變成三維技術(shù)，把光的模式發(fā)送到腦部不同坐標的神經(jīng)元上。
“在接下來的幾年里，會出現(xiàn)大量的類似設(shè)備，”布朗大學(xué)納米光學(xué)和神經(jīng)工程實驗室(Nanophotonics and Neuroengineering Laboratory)的研究助理教授伊爾凱爾•厄茲登(Ilker Ozden)說。Ozden并沒有參與這項研究，但卻是幾個研發(fā)類似技術(shù)的研究人員之一。
論文的通訊作者埃德•博伊登(Ed Boyden)表示：“大腦是一個3D的東西。” 博伊登還是MIT媒體實驗室合成生物學(xué)研究組(Synthetic Biology Group)的主任。
到目前為止，大多數(shù)光遺傳學(xué)研究只用一兩根光纖打開或關(guān)閉一小塊腦部組織。很多實驗室正在尋找提升控制級別的方法。博伊登說，使用一束光就好像用一個音符演奏，而3D探測器讓“像彈鋼琴一樣操縱大腦”變成了可能。
光控：這幅光學(xué)顯微照片顯示了三維光探針列，可用激光和微鏡進行任意模式的照明。
這一光學(xué)遺傳設(shè)備能以設(shè)定好的模式激活腦細胞。
兩年前，博伊登的團隊和MIT的克利夫頓•芳斯塔德(Clifton Fonstad)實驗室合作，發(fā)明了線性光遺傳學(xué)探測器。這款探測器帶有很多名為波導(dǎo)管(waveguide)的平行通道，可以引導(dǎo)光線射到探測器指向的不同點中的任何一個點。
新設(shè)備發(fā)表在《光學(xué)快報》(Optics Letters)上。在它的尖上還帶有一個可移植的，精細制造的部位，可以在不同深度上發(fā)光。博伊登的團隊利用激光光源和一列微小的鏡子(可以把光導(dǎo)向或?qū)щx波導(dǎo)管)創(chuàng)建時間和空間的模式。與此同時，微鏡頭可以把通過波導(dǎo)管的光導(dǎo)向腦部。波導(dǎo)管一端的鏡子可以把光發(fā)送到細胞里。
雖然論文沒有展示設(shè)備在腦部的應(yīng)用，但是博伊登表示他的團隊正把設(shè)備植入活體小鼠的腦部，并按照模式激活神經(jīng)元。
“有了3D陣列以后，我們可以做很多之前做不到的事，” 博伊登說。例如，該技術(shù)可用來系統(tǒng)地精確定位產(chǎn)生某個行為的特定細胞區(qū)域，或是產(chǎn)生隨機的模式并研究它們的效果。
它還可以制造出控制性更強、更靈活的基于光遺傳學(xué)的神經(jīng)假體。厄茲登說，這樣的神經(jīng)假體必須對不同的腦區(qū)產(chǎn)生不同的刺激模式才會有效。博伊登表示另外一個長期目標是理解疾病惡化或是腦部對療法作出反應(yīng)時腦活動的特定順序。
下載文檔
