研究背景
作為人類最為神秘的器官，大腦運(yùn)作的秘密以及其與行為之間的聯(lián)系一直是一個(gè)未解之謎。神經(jīng)調(diào)控技術(shù)可以讓研究者選擇性地激發(fā)或抑制一部分神經(jīng)元，從而觀察這些神經(jīng)元的作用。然而，傳統(tǒng)的電學(xué)或光遺傳學(xué)的方法卻需要植入電極或光纖，從而對(duì)腦組織造成損傷并束縛實(shí)驗(yàn)對(duì)象的行為。盡管最新生物與納米材料的研究極大地拓展了神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的可能，但至今未能有一個(gè)光學(xué)神經(jīng)調(diào)控技術(shù)能夠同時(shí)消除永久大腦植入物與物理束縛。
成果簡(jiǎn)介
在這篇工作中，斯坦福大學(xué)的洪國(guó)松課題組和新加坡南洋理工大學(xué)的浦侃裔課題組報(bào)道了一種可以穿過完整頭皮和頭骨的近紅外神經(jīng)調(diào)控技術(shù)。相較于可見光，近紅外二區(qū)(NIR-II window, 1000-1700 nm) 波段的電磁波在高度散射的腦組織中有較高的穿透深度，而基于此的NIR-II非侵入式大腦成像也取得了極大的成功。然而，至今還沒有一項(xiàng)技術(shù)利用近紅外二區(qū)光的組織穿透深度來在自由活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象中進(jìn)行神經(jīng)元調(diào)控。為此，兩個(gè)課題組的研究者們?cè)O(shè)計(jì)了一種稱為MINDS (Macromolecular Infrared Nanotransducers for Deep-brain Stimulation) 的高分子納米傳感器來有效地將NIR-II轉(zhuǎn)化為熱，再利用熱來激發(fā)溫敏通道蛋白TRPV1 (Transient receptor potential cation channel subfamily V member 1)。具體來說，MINDS的核心部分高分子半導(dǎo)體pBBTV在1064-nm的光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)71%，而其高分子殼層PLGA-PEG提升了MINDS的水溶性與生物兼容性。實(shí)驗(yàn)中，位于深腦的MINDS在NIR-II的照射下能夠產(chǎn)生瞬時(shí)局部高溫，從而使得表達(dá)TRPV1的深腦神經(jīng)元能夠被低于安全輻射限制的NIR-II光所激發(fā)。
圖1. (a) NIR-II 神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的原理示意圖。(b) MINDS 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。
研究者們利用Y迷宮中的條件性位置偏愛實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證NIR-II神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的效用。具體來說，研究者們選擇性地用包裹TRPV1的腺病毒轉(zhuǎn)染了位于小鼠中腦腹側(cè)被蓋區(qū)的多巴胺神經(jīng)元。這些多巴胺神經(jīng)元在大腦獎(jiǎng)賞回路中扮演者重要的作用。在實(shí)驗(yàn)中，研究者們僅在Y迷宮某一臂的末端進(jìn)行NIR-II照射，并用特殊的內(nèi)壁黑白條紋來標(biāo)記這個(gè)末端。在經(jīng)過三天的連續(xù)訓(xùn)練之后，實(shí)驗(yàn)組的小鼠學(xué)會(huì)了在NIR-II導(dǎo)致的多巴胺分泌與末端內(nèi)壁黑白條紋之間建立聯(lián)系，并在NIR-II照射過的末端表現(xiàn)出很強(qiáng)的位置偏愛。相比之下，缺乏TRPV1或者M(jìn)INDS的其他對(duì)照組小鼠則沒有表現(xiàn)出類似的位置偏愛。
圖2. 不同實(shí)驗(yàn)條件下小鼠的位置偏愛分布。
相較于現(xiàn)有的神經(jīng)調(diào)控方法，這一最新研究中的NIR-II神經(jīng)調(diào)控技術(shù)有許多優(yōu)勢(shì)。第一，NIR-II光在生物組織中較深的穿透深度避免了電極或光纖等大腦植入物而帶來的組織損傷。第二，MINDS對(duì)NIR-II優(yōu)越的吸收性能與高達(dá)71%的光熱轉(zhuǎn)換效率使得安全輻射范圍內(nèi)的NIR-II神經(jīng)元調(diào)控成為可能。第三，NIR-II在空氣中幾乎無損的傳播允許科研工作者將光源置于實(shí)驗(yàn)對(duì)象上方任意距離，從而使實(shí)驗(yàn)對(duì)象免受傳統(tǒng)方法中的頭部物理束縛。
小結(jié)
總之，這篇文章報(bào)道的NIR-II神經(jīng)調(diào)控技術(shù)利用納米顆粒MINDS與NIR-II光，來實(shí)現(xiàn)穿過完整頭皮與頭骨的深腦神經(jīng)元激發(fā)。作為現(xiàn)有光遺傳學(xué)工具的一項(xiàng)擴(kuò)展，這項(xiàng)研究為涉及多對(duì)象社會(huì)交互行為學(xué)實(shí)驗(yàn)中的神經(jīng)調(diào)控提供了可能。
參考文獻(xiàn)
https://www.nature.com/articles/s41551-022-00862-w
