無線無電池的植入式光電系統：用光線控制神經元！

背景

前天的文章中，筆者為大家介紹過一種新型無線神經刺激器（針對癲癇與帕金森病等神經系統疾病），也順便帶大家回顧了與神經系統疾病檢測與治療相關的創新技術。

今天，延續這一主題，為大家再介紹一項相關的創新技術。首先，從一項神經科學領域的新技術說起，它就是光遺傳學（optogenetics）。

什麼是光遺傳學？

光遺傳學，是一項採用光線打開或者關閉大腦中特定神經元組的生物技術。例如，研究人員採用光遺傳學刺激來恢復癱瘓情況下的運動能力，或者未來關閉大腦或脊椎中引發疼痛的區域，消除人們對於阿片類藥物或者其他止痛片的需要以及日益增長的依賴性。

（圖片來源：維基百科）

與以往介紹的諸多創新技術一樣，光遺傳學也是一門交叉學科的創新技術，它整合了光學、軟體控制、基因操作技術、電生理等多個學科的知識。

2010年，光遺傳學技術被《Nature Methods》雜誌評選為所有科學與工程領域中「年度最受關注科技成果技術」之一，同年《科學》雜誌也在十年技術回顧中著重強調了這項進展。

光遺傳技術，具有獨特的高時空解析度和細胞類型特異性兩大特點，克服了傳統手段控制細胞或有機體活動的許多缺點，能對神經元進行非侵入式的精準定位刺激操作，從而徹底改變了神經科學領域的研究狀況，為神經科學提供了革命性的研究手段。光遺傳技術在將來還有可能發展出一系列中樞神經系統疾病的新療法。

近年來，光遺傳學技術飛速發展，應用研究領域涵蓋多個經典實驗動物種系（果蠅、線蟲、小鼠、大鼠、絨猴、食蟹猴等），並涉及神經科學研究的多個方面，包括神經環路基礎研究、學習記憶研究、成癮性研究、運動障礙、睡眠障礙、帕金森症模型、抑鬱症和焦慮症動物模型等應用。

創新

近日，美國亞利桑那大學（University of Arizona）的一項研究揭示出一種更精緻的方法，它可以輸送光線控制神經元。這項研究可最終關閉疼痛受體，或者減少嚴重的神經系統疾病的影響。

（圖片來源：Philipp Gutruf）

亞利桑那大學生物醫療工程系教授 Philipp Gutruf 是相關論文的第一作者。題為「神經科學研究中的無電池、多模態操作的完全植入式光電系統（Fully implantable, optoelectronic systems for battery-free, multimodal operation in neuroscience research）」的論文發表在《自然電子學（Nature Electronics）》期刊上。

技術

Gutruf 表示：「我們正在製作工具以理解大腦中不同部分的工作機制。光遺傳學的優勢在於你擁有了細胞特異性，也就是說，你可以瞄準特定的神經元組，研究它們在整個大腦中的功能和關聯。」

光遺傳學中，研究人員們通過稱為「視蛋白」的蛋白質，裝載特定的神經元，將光線轉化為形成神經元功能的電勢。視蛋白是感光物質的主要組成部分，包括視覺系統中的視蛋白和非視覺系統中的視蛋白兩大類，在視覺成像和生物鐘晝夜節律同步調節方面起著至關重要的作用。當研究人員將光線照射在大腦中的某個部位上時，它只激活了視蛋白裝載的神經元。

光遺傳學的第一次迭代，是通過光纖向大腦發射光線，這意味著受試者被控制台所束縛。後來，研究人員們用無線電子設備開發出一項無需電池的技術，這意味著受試者可以自由活動。

但是，這些設備仍然具有自己的局限性：笨重且通常需要突兀地連接在頭蓋骨外側，無法用光線的頻率或者強度來精準控制，而且一次只能刺激大腦中的一個區域。

Gutruf 表示：「通過這項研究，我們前進了兩到三步。我們能夠實現對發射光線強度和頻率的數字控制，並且設備也非常小型化，所以它們可以植入到頭皮下。我們也可以獨立地刺激同一個受試者大腦中的多個位置，這在之前是不可能的。」

控制光線強度的能力非常重要，因為這種能力讓研究人員們可以準確控制光線影響大腦的程度。光線越強，能到達的地方就越遠。此外，控制光線強度，意味著控制光源產生的熱量，避免神經元因為熱量而被意外激活。

這種無線、無需電池的植入物，由外部振蕩磁場供電。而且，除了先進的功能，它們的重量與尺寸也沒有比之前的版本增加許多。此外，新型天線設計解決了之前版本的光遺傳學設備所面臨的問題。在之前的設備中，傳輸至設備的信號強度根據大腦的角度而不同：受試者轉頭時，信號將會變弱。

數字控制的多模態光遺傳學植入物（圖片來源：參考資料【2】）

電子與光學特性（圖片來源：參考資料【2】）

先進的多模態操作（圖片來源：參考資料【2】）

價值

Gutruf 表示：「這個系統在一個包殼中含有兩個天線，我們可以非常快速地來回切換信號，從而可以在任何方向上為植入物供電。未來，這項技術所提供的無需電池的植入物將提供不間斷的刺激，無需移除或者替換設備，比現有的起搏器或者刺激技術所帶來的創傷更小。」

設備的植入過程，類似於為人們裝上神經刺激器或者「腦起搏器」的簡單手術。它們不會為受試者帶來不良影響，其功能也不會在體內隨著時間的推移而退化。這項技術有望帶來類似「起搏器」的醫療設備，而這些醫療設備目前每五年至十五年就要更換一次。

這篇論文也演示了，植入這些設備的動物可安全地通過電子計算機斷層掃描（CT）成像或者磁共振成像（MRI），從而為臨床相關參數例如骨骼和組織的狀態以及設備的放置，帶來更深入的見解。

（圖片來源：Philipp Gutruf）

關鍵字

神經系統、醫療、晶元

參考資料

【1】https://news.engineering.arizona.edu/news/controlling-neurons-light-without-wires-or-batteries

【2】http://dx.doi.org/10.1038/s41928-018-0175-0

【3】https://en.wikipedia.org/wiki/Optogenetics

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