中国人类科学家黄永刚团队新作：大脑光遗传学植入让老鼠瞬间成为同性恋朋友当他们关掉植入装置时，它们的“友谊”就停止了。这是西北大学工程师和生物学家的最新研究，发表在《自然神经科学》杂志上。这是第一次对鼠标进行无线编程以进行实时社交互动，而当未编程时，鼠标的社交互动就会停止。该研究首次采用超小型、无线、无电池、完全可植入的设备，该设备使用光来激活神经元。该论文是第一篇探索动物种群内部社会互动的光遗传学论文。光遗传学是一种用光控制神经元的方法，它综合了光学、软件控制、基因操纵技术、电生理学等多学科技术。2005年起，斯坦福大学KarlDeisseroth实验室在神经细胞中表达光敏蛋白，响应不同波长的光刺激调节神经功能，宣告人类正式拥有了精确控制大脑的工具。从今以后，切断电源线！植入物纤薄、灵活且无线，植入后不影响小鼠的日常活动，这也让研究人员有机会在真实的自然环境中观察小鼠的活动。此前，光遗传学研究需要使用光纤线来限制小鼠的移动，这也导致小鼠在交互过程中或在复杂环境中被缠住。“使用以前的技术，我们无法观察到多只动物在复杂环境中进行社交，因为它们被光纤阻碍了，”西北大学神经生物学家YevgeniaKozorovitskiy说，他是该实验的设计者和该论文的通讯作者。会断裂，或者动物会被缠住。要提出有关现实环境中动物行为的更复杂问题，我们需要这种创新的无线技术。不受束缚的感觉真好。”该论文的通讯作者、西北大学生物电子学先驱约翰·A·罗杰斯说：“这篇论文代表了我们第一次能够在给定环境中通过同时实现无线、无电池光遗传学。和多个设备完全独立的数字控制。植入。个体动物的大脑活动很有趣，但超越个体来研究复杂的、社会互动的群体是神经科学中最重要和令人兴奋的前沿之一。我们现在拥有的技术可以研究这些群体中个体之间的纽带是如何形成和破裂的，以及社会等级制度是如何从这些互动中产生的。除上述两位通讯作者外，另外两位通讯作者分别是西北大学麦考密克工程学院工程系黄永刚教授、JanMarciaAchenbach教授和大连理工大学工程力学教授谢兆谦。黄永刚教授与高华健、陆天健、索志刚并称为中国固体力学领域的“二强二强”。该论文的第一作者杨一元、吴明正和AbrahamVázquez-Guardado均为西北大学学生。光遗传学可用于治疗失明或瘫痪由于人脑是一个由近1000亿个交织在一起的神经元组成的系统，因此探测单个神经元甚至神经元群都极其困难。光遗传学于2005年左右引入动物模型，可以控制特定的、基因靶向的神经元，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。研究人员首先对活小鼠的神经元进行修饰，以表达来自光敏藻类的修饰基因。然后他们可以使用外部光来专门控制和监测大脑活动。由于涉及基因工程，这种方法尚未被批准用于人类。YevgeniaKozorovitskiy说：“这听起来像科幻小说，但它是一项非常有用的技术，光遗传学有朝一日可能会用于治疗失明或瘫痪。”然而，以前的光遗传学研究受到可用光传输技术的限制。虽然研究人员可以轻松地单独探测动物，但同时控制动物群体神经活动的灵活模式是一项挑战。光纤导线通常从动物的头部伸出并连接到外部光源。然后可以使用软件程序在监视动物行为的同时关闭和打开灯。当它们四处移动时，纤维以不同的方式被拉动，正如预期的那样，这些影响改变了动物的运动模式。因此，必须开始思考：您实际上在研究什么行为？您是在研究自然行为还是与身体限制有关的行为？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，罗杰斯和他的团队开发了一种小型无线设备，可以轻轻地将其整齐地放置在头骨的外表面，但隐藏在小动物的皮毛下。这个半毫米厚的装置连接到一个微小的、灵活的纤维探针上，探针的尖端带有一个LED灯，该探针通过头骨上的一个小开口延伸到大脑。这款微型设备采用近场通信协议，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。动物外壳周围的天线为无线设备供电，无需笨重的电池。当植入物被激活时，老鼠变得更加社交。为了证明Rogers技术的原理，Kozorovitskiy及其同事设计了一项实验，探索用于远程控制成对或成组小鼠之间社交互动的光遗传学方法。当老鼠在封闭的环境中身体上彼此靠近时，Kozorovitskiy的团队以无线方式同步激活大脑中与高级执行功能相关的区域中的一组神经元，使它们增加社交互动的频率和持续时间。使这种刺激不同步会迅速减少同一对小鼠之间的相互作用。在一组小鼠中，研究人员可以偏爱任意选择的一对，这样它们之间的互动就会比其他小鼠更多。Kozorovitskiy说，“最初我们没想到这个实验会成功。根据我们的经验，这是对社会行为中神经同步的长期主要假设的首次直接评估。”
