技術：斯坦福科學家無線操縱小鼠
鬼上身一般地身體被其它控制接管似乎只是一種人們幻想出來的恐怖故事，但這卻並非不可能。比起潛入夢境這樣仍顯異想天開的方法，科學家們已經發現了一種更有可能的技術。近日，斯坦福大學一組神經科學家在 IEEE Spectrum 11 月刊上發文介紹了他們在腦機介面上的最新研究成果。他們使用了所謂的無線光遺傳學工具（wireless optogenetic tools），讓人們可以通過無線的方式控制小鼠在籠子里的移動方向。本文作者為研究者之一、來自斯坦福 Integrated Biomedical Systems 實驗室的 Ada Poon。
在控制實驗鼠的行為時，科學家通常採用的方式是利用食物誘導或使用空氣噴射來刺激它。而在斯坦福大學的實驗室里，我和我的同事研究出了一種新的控制實驗鼠的方法：利用閃光直接給大腦下達命令。
首先，我們在小鼠的大腦裡面植入了一個一顆胡椒大小的設備。當我們使用我們的無限電源系統（wireless power system）打開它時，該設備會閃爍藍光，這種藍光可以激活小鼠前運動皮層（premotor cortex）中基因工程修改的腦細胞，然後前運動皮層可以將信號傳遞給肌肉。當我們看到我們的實驗鼠不再隨機亂動，而是在籠子裡面規規矩矩地轉圈時，我們的內心也是充滿了驚奇。
研究者使用了植入在小鼠頭裡面和腿部神經上的 LED 設備來刺激經過了基因修改的神經元——這些神經元會對閃光做出反應。這種光遺傳學技術（optogenetic technology）可以讓研究者準確控制某一組神經元然後研究其結果。這些無線供電的植入物只有大約一顆胡椒大小，所有它們本身的重量不會給小鼠帶來負擔或改變它們的行為。
這種直接的大腦控制曾經只屬於科幻。但隨著光遺傳學這項新技術的出現，我們可以使用光來啟動腦細胞和激活特定的神經迴路，並觀察其對生物的生理和行為的影響。這種研究的目標是為了通過對神經系統更好的理解和這項技術可能的臨床應用尋找其對醫學的好處。光遺傳學還沒有在人類大腦中進行過測試，但在理論上來說，神經科學家可以使用基於光的刺激來識別和修復人類神經系統中出了故障的迴路。
但是，這種潛在的應用卻因為無法將光引入到大腦中而被一再延遲。為了解決這一難題，一些研究者使用了穿過頭顱和腦組織的微型光纖來傳遞光脈衝。為了給植入物供電，其他一些研究者還實驗了連接到笨重的電池或頭戴式設備的植入式 LED 設備。
我們的轉圈的老鼠的實驗則證明了另一種更好的方法。我的實驗室開發了可以無縫整合到身體之中的電子器件：這種胡椒大小的設備只有之前的光遺傳學設備的 1%。我們的小鼠身上沒有線纜、電池或古怪的頭戴設備，所以它們可以自由地移動——這是進行常見的迷宮或游泳等測試的必備要求。此外，如果其它小鼠遇到了我們實驗的小鼠，它們也不會覺察到有什麼不同尋常的地方——這讓我們還可以進行有關社會行為的實驗。
打造微型設備本身是相對容易的；難的是想辦法在小鼠自動移動的時候給這些設備提供能量，同時不干擾它們在場地里的運動。我們的解決方案是採用無線供電——籠子下面的諧振腔（resonant chamber）發出的無線電波被小鼠自己的身體捕獲到。有了這種應對那個光遺傳學技術問題的答案，我希望神經科學家能夠更多地照亮大腦中隱藏的秘密。
你是否有注意到室內的植物會逐漸朝向有陽光的窗戶？類似的植物學技巧是光遺傳學的基礎。這種訣竅來自單細胞綠藻（unicellular green algae），這些綠藻會朝向光源運動，這是由於其細胞膜上有一種特殊的蛋白質。這種蛋白質會對光照做出反應，在其細胞膜上打開一個離子通道，並因此可以改變綠藻細胞內部的電勢並驅動兩個鞭子一樣的鞭毛運動。大約在 2005 年左右，一些研究團隊意識到可以將這種蛋白質的基因編碼移植到神經元的 DNA 中。
這項神經科學前沿技術的出發點來源於對單細胞生物體的構造模仿
圖 1/5：這種單細胞生物是藻類生物，更具體來說是細胞膜上有光敏感蛋白的藻類生物。
圖 2/5：當細胞膜接觸到光的照射時，細胞膜上的光感蛋白將會打開細胞膜的離子通道，如此一來細胞的電勢就會發生改變。
圖 3/5：這類藻類細胞膜上光感蛋白的表達是受其基因控制的。
圖 4/5：將這類藻生物控制光感蛋白的基因插入到老鼠大腦中特定神經元的 DNA 里。隨後，老鼠的神經元的細胞膜上也相應生成了光感蛋白。
圖 5/5：用快速的光源掃過這些神經元，神經元的細胞膜也會打開離子通道。以這種方式打開細胞膜的離子通道引起神經元電位的改變從而激活神經元的方式，與神經元接收電信號刺激而激活的原理是類似的。通過激活相應的神經元，研究員們可以探明正常健康的老鼠的大腦工作機制以及出現神經性疾病的大腦的病變所在。
通過這個方式來讓神經元「自主」產生帶有光感蛋白的細胞膜，然後在快速的光刺激下，細胞膜上的光感蛋白打開離子通道，帶電的分子經由通道進入細胞。這一過程可以說是對神經元受電位改變而激活的方式的精準再現，同時這種方式也支持神經元釋放神經遞質，進一步激活相關聯的神經元。如此一來，整個神經系統受一點激發而完成整體「運作」。通過這個「運作」方式，神經迴路受到電位改變被激活，然後激發相應器官的工作和對應的反射行為，以及產生被我們稱之為奧秘的「思想」和「情感」。
神經科學家對神經元電位改變的模式研究，受限於當前的研究設備，因為這些設備不能提供相應研究部位的精確標定。生物學的重大發現往往依賴於精確的觀察，這也意味著生物科學家們需要對生物體相應部位做出改變並精準觀測改變後生物體的運行情況，目前這樣的設備並不多見。傳統的神經科學研究通過電刺激來觀測相應的變化，在頭皮上放置電極或者將電極植入腦中來刺激和記錄一組或幾組神經元的激活反應。與神經元相比，這些電極都太大且不靈敏，根本無法觸及到某些神經元，比如腦海馬體的神經元，而海馬體是人類短期記憶的存儲地。
這些限制讓我煩惱。從工程師的角度來看，研究活生生的生物感覺是一件很混亂的事。當我在調整一個集成電路時，我可以去除一個晶體管然後看晶元是不是還能工作。如果它不能工作，我就可以肯定這個晶體管是造成這個故障的原因。但在生物系統中，要想隔離一個有關的變數，可就要困難多了。
使用光遺傳學技術，我們可以將神經元像電路中的晶體管一樣開啟或關閉。遺傳學家有很多不同的方式可以將必需的基因植入到非常特定的細胞簇之中。使用我們的光照設備，然後我們就可以開啟一組特定的神經元。這些神經元會在數微秒內對光做出反應，從而使得我們可以很明顯地觀察到調整對結果的影響。
神經科學家很快就看到了同時研究健康的大腦和被疾病影響了的大腦的可能性。比如說，最近有一個研究團隊通過刺激猴子大腦中能生成神經化學多巴胺的神經元而更深入地研究了猴子大腦，這些多巴胺在運動控制、動機、獎勵和成癮上發揮了重要的作用。與此同時，另一個研究團隊正在確定帕金森病患者的運動問題和特定的產生多巴胺的細胞的關聯程度。儘管這些研究都是在動物身上進行的，但它們也能為人類的醫療提供信息。
第一代的光遺傳學技術使用光纖來攜帶一個光脈衝經過顱骨，得益於穩定的顱腦介面，並且能讓研究人員持續點亮目標神經元。在這一步中，「被繩子拴住」的小鼠能夠相當自由地在一個敞開的籠子中移動，但是這個系統也有缺點。研究人員必須將小鼠附著到光纖上，給它施加壓力，並能改變行為實驗的結果。此外，一隻被拴住的小鼠無法在封閉的空間內找到方向，也無法鑽到在籠子中睡覺的其它同伴中。
移除電線是一個巨大的挑戰。一些研究者試圖植入帶有板載電池組的 LED 設備，但要長期使用的，它們就需要做得過大和過重。其他一些研究者可以把植入物做得很小，但是需要在小鼠的頭上戴上一個笨重的無線供電發射其。這些頭戴設備會干擾動物的自動運動並且改變其生活習慣，進入會影響到它們與其它小鼠的正常的社交活動。
我們的目標是打造一個能讓小鼠自由地在社會環境中運動的光遺傳學系統。通過這種生物，神經科學家可以檢查涉及到運動失調和神經心理學問題的大腦迴路，並有可能能為醫學提供很好的見解。
圖片：Austin Yee 。供電硬體：為了以無線的方式給一個植入物供電，需要生成頻率適當的無線電波，並將其存放在小鼠圍欄下的諧振腔里，射頻能量通過小鼠的身體進入植入的硬體
有人說懶惰才是發明創造之母。我們看到現有的無線供電光遺傳學植入物的方法後想，「一定得找出更簡單的方法」，於是我們就發明了這個系統。
大多數之前的設備將能量通過電磁感應傳到大腦，在這個過程中發射線圈將電磁波通過空氣發送到接收線圈。這是一個古老的方式，起源於尼古拉·特斯拉在 20 世紀初做的試驗，最近經過改造用到了電動汽車和智能手機的無線充電上。但是這種能源傳送方式有個很大的不足。必須保持接收線圈小到能放在小鼠腦內，發射系統需要接近小鼠。無論是系統必須保持一個能覆蓋整個鼠欄的強大電磁場，浪費所有未被植入的裝置所接收的能量，還是它必須瞄準移動移動中的小鼠，時刻追蹤它跑動的軌跡。確保小鼠在籠子內移動時接收到的功率能提升都是件困難的事情。
為了解決追蹤問題，研究人員開始將一個無線電信標或位置感測器裝到小鼠的頭部或腳部，但是這些系統太複雜了。一些甚至複製了蜂窩電話網路，像一個微型手機信號塔一樣，在籠子周圍放置多個發射器，當小鼠的位置改變時，就能發射信號了。在回到學術界之前，我在英特爾和一家創業公司設計室內的無線系統，我知道這類系統的結構有多複雜。我想要一個簡單一點的。
我在小鼠自己的體內找答案。每一個物體在碰上 特定頻率的電磁波時都會自然地產生共振（resonate），這是由物體的幾何結構和材料屬性決定的。理解「共振耦合」一般原則的一個簡單方法有個經典的例子：一個歌劇歌手、一段聲波和一個酒杯。當女高音歌唱家唱到高音部分時，她的聲波會穿過空氣到達杯子，引起杯子微微振動。如果一個音符的諧振頻率與玻璃杯的相同，聲波會被困在這種材料中來回震蕩。在電影中（有時也會出現在現實生活中），這種波能強大到震碎玻璃。
無線電力系統依賴於諧振耦合原理傳遞射頻能（RF energy）到老鼠體內的植入體中。射頻能產生特定的頻率，選擇它是因為這個波長段的無線電波能在這個系統的兩個部件之間反射、共振。首先波能在小鼠圍欄的網格地板下面特定大小的諧振腔內產生共振，這能使能量很巧妙地儲存下來。射頻波也會在老鼠體內產生共振，所以老鼠接觸地板的每一點都允許能量流入老鼠的身體中，並經過組織到達植入的接收線圈。
一隻活著的老鼠似乎和玻璃酒杯有很大的區別，但是原理都是同等適用的。電磁波能進入老鼠身體的組織，並且特定的頻率能和它產生共振。所以我的團隊使用計算機程序為老鼠的身體建立了一個模型，將老鼠們的平均形體、組織絕緣性能等信息插入進去，然後我們使用模擬器解出這種實驗老鼠的共振頻率。接下來就需要建造一個「共振室（resonant chamber）」在它們的共振頻率上（大約 1.5GHz）進行放大和儲存射頻能。我們將腔室安放在籠子下，並在籠子上放置一個商用射頻信號發生器。
使用這種設置，共振室的天花板就成為老鼠籠的地板了。不過如果我們就放著這樣，那麼腔室會困住這些射頻能，但是如果我們移除頂蓋腔室就會朝一個方向發射能量，這也就是我們希望看到傳遞給老鼠能量的高效方式。所以我們用打開的柵格替換了頂蓋，這些柵格的洞是要比我們使用的分米級電磁波小得多的。所以柵格會將能量禁錮在室腔內，直到需要的時候。
或者直到那些重要的時刻：即在老鼠每一次將肉墊擠壓柵格移動的時候，它的身體就會變成一根接收下面無線電波信號的天線。因為老鼠的身體和在柵格下面的射頻能處於相同的頻率並共振，那些能量也就從腔室內逃逸出來，電場也就覆蓋了整個老鼠身體。當它到達腦部和嵌入的 LED 設備，也就會被兩毫米的線圈所捕獲，這個線圈聚集能量並支持設備的運轉。所以不論老鼠在柵格上走到哪，它的爪都會處於射頻能之中，並在其他地方能量只是保存著。沒有任何路徑要求，我們可以保證老鼠處於供能中。
我們為大腦建造的設備包括能量接收線圈、電路、LED，他們總重只有 20 毫克（老鼠大腦的重量大概 2 克），總大小只有 10 立方毫米。另外對於這種小型的大腦植入裝備，我們同樣建立第一個足夠小來植入老鼠外圍神經系統的光電基因設備，這讓我們能夠刺激老鼠脊柱和四肢的神經。這種能力能讓科學家繪製電信號在身體裡面的傳播路徑。
我們的系統可以進行大量小鼠神經系統實驗。它有足夠大的區域，可以容納設備進行「開放場地（open field）」實驗，如抗焦慮藥物實驗。小鼠通常不喜歡明亮的開放區域，它們的移動和探索行為可以作為其焦慮程度的指標。我們的系統也經常對小鼠進行「位置偏好（place preference）」試驗，測試藥物的效果。例如，為了測試止痛藥，我們可以讓小鼠在安全區域和電擊區域中自由活動，觀察它們的活動範圍；如果小鼠在電擊房裡出現，則說明止痛藥有效。我們的系統也可以用於飼養箱內實驗，這樣小鼠不會被研究者挪動到陌生區域，它們的習性會更加接近自然水平。
我們希望全世界的神經科學家都可以使用我們的技術，所以這一系統的設計細節已被公布，其中包含了教學視頻。無線電發射器可以用現成的工具和便宜的部件組成。這一系統也比以前其他的無線電光遺傳系統更易使用，它不需要跟蹤裝置，也不需要定製的共振腔。
我們希望系統的易用性可以幫助研究人員更加便捷地達到研究目的。目前的技術工作在小動物上，我們已經為小動物的共振頻率進行了建模，但同樣的方法也適用於大鼠和其他更大型的動物。我們也可以想像科學家們將其應用在其他複雜的環境中；或進行改進，讓系統包含多個互相交互的小鼠，每一隻腦中都安裝有 LED 發光植入體。
人們會更加關注何時光遺傳學系統可以應用到臨床領域。由於這種技術需要改變人體細胞中的遺傳信息，我們在使用它之前需要進行大量的安全性實驗，以免造成不可預知的後果。
然而，即使光遺傳學還是一門基礎科學研究，在短期之內還是可以發揮它在臨床方面的益處。用老鼠來做實驗在研究阿茲海默症中已經非常的普遍，我的實驗室目前正在投入技術研究這種災難性的疾病在早期記憶喪失時的機制。當然我們也在研究治療方法。我們採用了一種混合方法，涉及到了光遺傳學，也涉及到了對海馬體以及與記憶相關大腦區域內神經元的電刺激。
下面就是我們所做的一些事情：利用植入的 LED 裝置，我們直接激活了神經元集群，直到我們找到了那些與老鼠特定記憶相關的神經元，比如說由於接收了痛苦的衝擊產生的恐懼經歷。知道這些老鼠在什麼時候回憶這些經歷非常簡單，因為它們一直處於一種防守的姿態當中。只要我們能夠通過光遺傳學的仔細檢查發現關鍵的神經元，就可以把注意力轉向植入大腦的電極了。根據我們所收集到的精確信息，我們可以利用電極更廣泛地刺激海馬體，然後再觀察看看哪一種刺激會產生我們想要的結果。
如果我們能夠知道個人的記憶儲存在哪裡，並且能夠使用工具找到方式接觸到它們，我們的工作就會直接影響到臨床研究。醫生已經在治療多例神經精神疾病中使用到了植入電極，所以我們在實驗室中學到的其實也可以用到臨床當中。我們的目標很崇高：我們希望通過研究阿茲海默症病鼠的刺激模式，可以幫助科學家發現導致人類患病的相似模式，能讓這些病人記得更多有用的事情，比如說在他們的生活中發生的一些大事兒，或者是他們所愛之人的臉龐。隨著光遺傳技術越來越發達，做出更加精細的大腦研究對我們來說也變得越來越容易。我相信，這一定會成為神經科學的指路明燈。
本文載於 IEEE Spectrum 2016 年 11 月刊，標題為《一種新型無線老鼠》（A New Kind of Wireless Mouse）。
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