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豐色 蕭簫 發自 凹非寺量子位 | 公眾號 QbitAI

無需植入控制設備，就能遠程“操縱”生物大腦？

最新發表在Nature子刊上的一項研究，一經登出便沖上熱搜：

盡管這次的實驗對象不是人類而是小鼠，不少網友看過后第一反應還是“太危險了”、“有點反人類”：

所以，這真的是一項特別可怕的技術么？

事實上，這項研究主要是通過一定的技術手段，使用特殊光線照射小鼠頭部，開啟它的“運動模式”——老忍不住想轉悠。

可以說是真·物理鍛煉了（手動狗頭）。

而且，這項技術確實極具突破性。

據斯坦福大學介紹，這是科學家第一次通過不侵入大腦的方式，成功遠距離控制正常生物的神經回路。

整個過程中，沒有植入設備，也沒有對小鼠的頭皮和頭骨造成損傷。

同時，它也不僅是一項技術探索，還在治療神經系統疾病上有一定應用價值。

下面我們具體來看一下。

利用近紅外光，遠程操控腦細胞

事實上，用光來控制腦細胞，已經是個比較成熟的研究了。

最典型的技術之一，就是光遺傳學，它曾被Science評為過去十年“生物領域10大突破研究”之一，甚至一度被預測是諾獎級研究成果（獲評過“諾獎風向標”拉斯克獎）。

這項技術也是被斯坦福大學提出，具體指將外源（并非體內自然產生的）光敏蛋白基因導入腦細胞中，讓腦細胞在細胞膜結構上表達出光敏蛋白。

然后，再用特定波長的光去照射這些細胞，就能控制光敏感蛋白的激活和關閉，從而激活或抑制大腦中的神經元，達到“控制腦細胞”的目的。

BUT，這項技術一直有個缺陷——

必須安裝光學植入設備，顱骨上還要插根光纖系帶。

這是因為，光遺傳學嚴重依賴可見光，而大腦又是不透明的，沒辦法被可見光穿過。

但植入設備不僅會造成組織損傷，還會限制生物的自由活動，想研究生物自然行為下的腦神經活動就會變得困難。

最新的這項研究中，科學家們終于成功摘掉了小鼠頭上的植入設備。

他們發現了一種近紅外光，也就是1000-1700nm的近紅外二區波段，這種光能在高度散射的腦組織中，保持較高的穿透性。

不植入光學設備，如何通過光信號控制腦細胞呢？

這就要提到生物體內一種叫做TRPV1的蛋白質，去年諾貝爾生理學或醫學獎就是頒給了它的發現者。

具體來說，它是一種辣椒素（產生灼燒&痛感的東西）受體，也就是一種會對熱和疼痛產生反應的離子通道蛋白，也就是對熱&疼痛非常敏感。

把它植入響尾蛇體內，響尾蛇就可以在黑夜中捕食溫血獵物；把它植入小鼠視網膜錐體細胞中，就能賦予了老鼠在紅外光譜中的視覺能力。

不過，科學家將這種熱敏性分子植入小鼠神經元中后發現，它對近紅外光的熱信號不起作用，因為光熱信號還是太小。

這里的植入，指的是用包裹TRPV1的腺病毒轉染目標神經元，也就是將DNA、RNA或蛋白質引入細胞。

于是，他們又設計了一種“傳感器”分子，叫做MINDS，專門用來吸收和放大紅外光。

這樣一來，就完成了整個系統的原理設計。

希望用于治療神經系統疾病

接下來是進行更進一步的實驗，來驗證這種理論是否可行。

科學家們先是在小鼠大腦運動皮層一側神經元中添加TRPV1通道，再注入MINDS分子，最后觀察小鼠的行為。

△禿頭小鼠，讓光線更容易穿透

他們驚奇地發現，當圍欄上方1m處的紅外燈被打開時，一開始只在小范圍活動的小鼠，立刻開始繞圈，大幅增加活動范圍。

黑線代表照射之前的小鼠活動軌跡，紅線代表照射中，灰線代表照射結束后。

對照組的小鼠卻沒有這種反應。

也就是說，近紅外光對小鼠的大腦運動細胞的刺激奏效了。

他們還將這兩種分子先后注入小鼠的多巴胺表達神經元中，兩天以后，在小鼠呆的Y型迷宮中放置紅外光聚焦裝置。

結果發現，小鼠對可以刺激多巴胺神經元的紅外光“上癮”，呆在光線照射下的時間最久。

△ 不同顏色代表小鼠停留的時間，紅色最久

嗯，又奏效了。

而運動神經元位于大腦上方，多巴胺神經元位于大腦底部，這也說明，這種通過近紅外光控制的非侵入式方法對大腦任何區域的神經元都有效。

據論文通訊作者洪國松介紹，這項研究的目的，主要是希望通過這種非侵入的方法，實現神經科學中最大的未滿足需求之一——

在小鼠在自由活動（比如社交）下，觀察并記錄它們大腦深處特定腦細胞和回路的功能。

進一步地，這種方法也有助于更好地了解人類認知系統。

這項技術如果最終成熟，可以用于臨床上調節病人大腦中的特異神經元回路，治療一些神經系統的疾病，如癲癇等。

仔細看過這項研究后，有網友提出，這些研究不僅是探索神經元功能非常重要的研究工具和方法，而且也為研究大腦提供了極為重要的基礎：

還有網友希望它能被用于更多疾病、如阿爾茲海默癥的治療中。

研究來自華人團隊

這項研究由斯坦福大學的洪國松團隊、以及新加坡南洋理工大學的浦侃裔團隊合作完成。

一作有兩位，一位是來自斯坦福大學的博士生Wu Xiang，另一位是來自南洋理工大學的姜語嫣。

通訊作者為洪國松，斯坦福大學材料科學與工程學院、吳蔡神經科學研究院（由吳明華-蔡崇信夫婦捐贈改名）的助理教授。

他本科畢業于北京大學，后來于斯坦福大學獲得化學博士學位后，到哈佛大學進行博士后工作，并于2018年加入斯坦福大學，目前的研究方向是材料科學與神經科學。

△洪國松

共同通訊作者為浦侃裔，新加坡南洋理工大學副教授，此前本科畢業于華東理工大學，在復旦大學獲得碩士學位后，在新加坡國立大學獲得博士學位，并于斯坦福大學進行過博士后工作。

他的研究方向是高分子材料和生物材料，包括納米技術等，兩位通訊作者論文引用次數也均在20000+以上。

△浦侃裔

那么，你希望這項研究被應用在哪些方向呢？

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41551-022-00862-w

參考鏈接：[1]https://www.guosonghong.com/team/[2]https://neuroscience.stanford.edu/news/researchers-control-brain-circuits-distance-using-infrared-light[3]https://s.weibo.com/weibo?q=%23%E7%A7%91%E5%AD%A6%E5%AE%B6%E9%A6%96%E6%AC%A1%E9%9D%9E%E4%BE%B5%E5%85%A5%E8%BF%9C%E7%A8%8B%E9%81%A5%E6%8E%A7%E5%A4%A7%E8%84%91%23&from=default

— 完 —

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