如果我不得不将钱放在一个赢得诺贝尔奖的神经技术上,这是光学机构。

该技术利用不同频率的光来控制大脑。它是基础神经生物学和工程学的智慧结合,劫持了大脑中神经元如何自然激活(或沉默)的机制。

多亏了光遗传学,在仅仅10年的时间里,我们就可以人工地接收的记忆在小鼠实验中,破译导致疼痛的大脑信号,解开成瘾的神经密码,逆转抑郁,恢复失明小鼠的基本视力,并覆盖可怕的信息记忆与快乐的人。光遗传学类似于一种通用的大脑编程语言。

但它有两个严重的缺点:它需要基因治疗,它需要大脑手术将光纤植入大脑。

本周,光遗传学背后的最初思想又回来了,它带来了一个新的突破。斯坦福大学的Karl Deisseroth博士的团队与明尼苏达大学合作,推出了一种新型的光遗传学的升级版本不需要手术就能控制行为。相反,该系统将光线穿透老鼠的颅骨,并深入到大脑。通过光脉冲,研究小组能够改变老鼠发生癫痫发作的可能性,或者重新编程它的大脑,让它更喜欢社交伙伴。

需要明确的是:我们离科学家用手电筒控制你的大脑还很远。光遗传学的关键是基因工程——没有它,神经元(包括你的神经元)就不会自然地对光做出反应。

然而,展望未来,这项研究是朝着将一项强大的研究技术转化为临床治疗迈出的坚实一步,有可能帮助患有抑郁症或癫痫等神经系统问题的人。我们离这一愿景还有很长一段路要走,但研究表明,这只是科幻小说里的幻想。

Opto-What吗?

要了解Optimetics,我们需要深入挖掘脑子如何工作。

本质上,神经元通过额外的化学作用来用电。一个脑细胞就像一个有门的活的储存容器——离子通道——把它的内部环境和外部环境分开。当神经元接收到足够强的信号时,细胞就会打开大门。这个过程会产生电流,然后电流沿着神经元的输出分支快速流动——就像一条生物高速公路。在终端,电子数据转换成几十个化学“船”,漂浮在神经元之间的间隙,将信息传递给相邻的神经元。这就是网络中的神经元如何交流,以及网络如何产生记忆、情感和行为。

光遗传学劫持了这一过程。

利用病毒,科学家们可以将一种视蛋白基因添加到活的神经元中。视蛋白是一种来自藻类的特殊蛋白质家族。视蛋白是一种特殊的“门”,可以在特定频率的光脉冲下打开,而哺乳动物的脑细胞却做不到这一点。将视蛋白添加到老鼠(或我们的)神经元中,本质上赋予了它们对光作出反应的超能力。在经典的光遗传学中,科学家在视蛋白点状神经元附近植入光纤来传递光刺激。计算机编程的光脉冲可以瞄准大脑特定区域的这些新产生的光敏感神经元,并像控制绳子上的木偶一样控制它们的活动。

它变得凉爽。利用基因工程,科学家们还可以微调哪些神经元群体获得额外的能量——例如,只有那些编码近期记忆的神经元,或那些与抑郁症或癫痫有关的神经元。这样就可以玩这些了神经回路利用光线,同时大脑的其他部分也在运转。

这种选择性是光遗传学如此强大的部分原因。但也不全是小马和彩虹。正如你可以想象的那样,老鼠并不特别喜欢被它们大脑里的光纤拴住。人类也不需要,因此在将该工具用于临床时出现了一些问题。自推出以来,下一代光遗传学的一个主要目标就是切断脐带。

再见了手术

在这项新的研究中,Deisseroth团队从一个主要目标开始:让我们完全放弃对外科植入物的需求。这立即带来了一个棘手的问题。这意味着,大脑内的生物工程神经元需要有一个足够灵敏和强大的视蛋白“门”来对光做出反应,即使光脉冲在头骨和脑组织中扩散。这就像一个电话游戏,一个人在十个街区外,隔着好几堵墙和城市的噪音,喊出一条信息,但你仍然必须能够破译并传递下去。

幸运的是,团队已经有了一个候选人,一个非常好的人。去年开发出来的铬因其惊人的对光反应速度和在神经元中产生大电流的能力而脱颖而出——比之前的任何一种都提高了大约100倍。因为它是如此的敏感,这意味着即使是一个闪光,在它喜欢的波长,可以使它打开它的“门”,反过来控制神经活动。更重要的是,铬在打开后会迅速关闭,这意味着它不会过度刺激神经元,而是遵循它们的自然激活轨迹。

作为第一个测试,该团队使用病毒将铬添加到大脑深处的一个区域——腹侧被盖区(VTA),该区域对我们处理奖赏和上瘾的方式至关重要,也与抑郁症有关。到目前为止,在临床中到达该区域的唯一方法是植入电极。然而,研究小组发现,在铬的作用下,放置在小鼠头皮外部的光源能够可靠地激发该区域的神经活动。

随机激活着光线的神经元,虽然令人印象深刻,但可能并不是那么有用。下一个测试是是否可以使用来自大脑外部的光来控制鼠标的行为。在这里,团队将Chrmine添加到鼠中的多巴胺神经元,在这种情况下,该案例提供了一种愉悦的感觉。与他们的同龄人相比,光增强的小鼠更加渴望按下杠杆,以将光线传递给他们的头​​皮 - 这意味着光刺激着神经元足以让小鼠感到乐趣和工作。

在一个更复杂的测试中,研究小组用光线来控制位于大脑底部脑干的一组叫做血清素能细胞的脑细胞。众所周知,这些细胞会影响社会行为,也就是一个人享受社会互动的程度。这有点令人不安:与没有铬的老鼠相比,有铬增强细胞的老鼠,特别是在脑干,更喜欢呆在他们的试验室内的“社交区”。换句话说,不需要任何开脑手术,只需要几束光线,研究小组就能把一只对社交持矛盾态度的老鼠变成一只渴望友谊的社交蝴蝶。

远距离的大脑控制

如果你觉得“毛骨悚然”,你不是一个人。这项研究表明,通过通过眼窝或静脉注射一种携带铬胺基因的病毒,就有可能通过光来控制像社交这样的性格中不可或缺的东西。

强调一下我的观点:目前这只可能在老鼠身上实现。我们的大脑要大得多,这意味着穿过头骨的光线散射以及穿透到足够深的地方会变得复杂得多。再说一次,我们的脑细胞通常不会对光做出反应。你必须自愿接受相当于基因治疗的东西——基因治疗本身也有很多问题——在它可能发挥作用之前。所以请摘下锡纸帽子;科学家还不能用激光把一个内向的人(比如我)变成外向的人。

但是为了解开大脑的内在工作,这是一个惊人的飞跃到未来。到目前为止,切割光学线的光学帘线的努力具有膝盖升温的能力,可以深入大脑,限制控制诸如皮质等表面脑区域。其他方法过热脑组织并终止于损伤。然而,其他人充当20世纪90年代的DOS系统,在命令(激活!)和神经元的响应之间具有显着延迟。

这个脑控制操作系统虽然尚未完美,解决了这些问题。不像Neuralink和其他的神经植入物,研究表明不需要手术或植入物就可以控制大脑。你需要的只是光。

图片来源:otheboPixabay.

范雪来是一位神经科学家出身的科学作家。她在不列颠哥伦比亚大学(University of British Columbia)完成了神经科学博士学位,在那里她开发了神经退化的新疗法。在研究生物大脑时,她开始对人工智能和所有生物技术着迷。毕业后,她搬到了加州大学旧金山分校,研究以血液为基础的因素,使衰老的大脑恢复活力。她是……

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