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Nat Met:光遗传学新装备

摘要 : 8月17日的Nature旗下子刊《Nature Methods》发表斯坦福大学的科学家的他们一篇文章,文章指出开发出一种微型装置,将光遗传学(用光控制大脑活动),和一种新开发的无线充电植入装置相结合,是第一种完全内置的光遗传学传递方法。

 8月17日的Nature旗下子刊《Nature Methods》发表斯坦福大学的科学家的他们一篇文章,文章指出开发出一种微型装置,将光遗传学(用光控制大脑活动),和一种新开发的无线充电植入装置相结合,是第一种完全内置的光遗传学传递方法。该装置大大扩展了通过光遗传学技术进行的研究的范围。

斯坦福大学电气工程助理教授Ada Poon说:“这是为光遗传学提供无线电能的一种新方法。这种装置明显更小,小鼠可以在实验过程中四处运动。”该装置可在实验室中进行安装和重新配置,用于不同的用途,并且电源是公开可用的。Poon说:“我认为,其他实验室也能够将这种方法用于他们的工作。”

按比例缩放

传统上,光遗传学必需有一条光纤附着于小鼠的头部,以传递光并控制神经。带上这个有点约束性的“头饰”,小鼠可以在敞开的笼子里自由移动,但不能像没有障碍的小鼠同伴那样,待在一个封闭的空间,或钻入一堆睡着的同伴当中。另外,在一次实验之前,科学家必须处理小鼠来连接电缆,这会使小鼠情绪紧张,并可能对实验结果有影响。

这些限制条件,使我们通过光遗传学技术获得的结果是有限的。人们已经成功地研究了一系列的科学问题,包括如何缓解帕金森病的震颤、传递疼痛的神经元的功能和中风的可能疗法。然而,解决具有社会成分的问题,如抑郁症或焦虑症,或者当小鼠是被拴着的时候,涉及迷宫和其他类型的复杂运动,都更具有挑战性。

2014年,Poon的团队研制出了一种无限充电方案,能为植入体内的电子仪器提供中场无线充电,这一结果引起了国际的广泛关注。尽管这种能力在世界光遗传学界是急需的,但是Poon直到参加了一个神经工程研讨会才意识到这一点,这次会议汇聚了来自神经科学及工程学院的学者。

在那次研讨会中Poon遇见了Logan Grosenick,他是光遗传学之父、斯坦福大学的生物工程学、精神病学和行为科学教授Karl Deisseroth实验室的研究生。但Grosenick没时间带领这一合作项目。

通过后续的对话,Poon最终遇见了研究生Kate Montgomery,他在生物工程和机械工程教授Scott Delp的实验室工作,并与Deisseroth教授有合作。作为该研究论文的共同第一作者,Montgomery说:“自那时以来,我们的实验室就建立了一种持久的科学关系。”

在锡帽设计接管互联网之前,重要的是要澄清一点:光遗传学只对某类神经元起作用,这些神经元已被精心处理,包含了对光产生反应的蛋白质。在实验室里,科学家们可以培育小鼠,使它们在选择的神经元中含有这些蛋白质,也可以小心、费力地向牙线大小的神经元中,注射携带这些蛋白DNA的病毒。用光线——无论是通过光纤电缆还是通过无线设备,照射没有接受处理的神经元,没有影响。

充电

Poon说,开发一种微型设备来提供光,是比较容易的。她和她的同事们研发了这一设备,并且它起作用了。但是,比较难的一点在于:如何广泛地为其供电,而不影响电源效率。在行为学实验中,小鼠会四处移动,研究人员需要一种方法,来跟踪它的运动,以提供局部性电源。Poon知道,其他实验室正在使用笨重的设备,来解决同样的问题,这些设备贴在动物的头骨上,以复杂的线圈阵列与传感器配对,来定位小鼠,并提供局部电源。

Poon说:“我们是懒惰的。这听起来工作量很大。”因此,她产生了一个疯狂的想法,用小鼠自己的身体来传输无线电频率,只不过是在小鼠中产生共鸣的正确波长。这种想法可能是疯狂的,但它起作用了,她与新加坡国立大学的助理教授John Ho,作为共同第一作者在八月四日的《Physical Review Applied》发表了这些研究结果。

虽然Poon有想法,但一开始并不知道如何构建一个腔室,来扩大和储存无线电频率。她和Tanabe与Tanabe的父亲进行了商议,对加工这样一个腔室进行了了解,然后去日本做了初步的组装和测试。Tanabe的父亲将最终的腔室称为“室内幼儿园项目”,但是它起作用了。然而,在它的原生状态下,打开的腔室会向各个方向发射能量。相反,腔室顶部覆盖有一个有孔的网格,小于包含在腔室的能量的波长。这基本上将能量捕获在腔室内。

关键在于,网格有一点回旋的余地。因此,如果有类似小鼠爪之类事情存在的话,它会接触到所有能量储存空间的边界。要记得,波长如何就是与小鼠产生共鸣的精确波长。小鼠基本上就变成了一个管道,从腔室释放出能量,进入它的身体,在那里它被设备中一个2毫米的线圈捕获。

无论小鼠是否移动,它的身体都会与能量接触,吸引它并给设备供电。在其他地方,能量被整齐地储存。这样,小鼠就变成了它自己的定位装置,用于传送电源。

有了这种新型的动力传递方式,该研究团队制造出这样一个小型装置。在这种情况下,大小是至关重要的。该装置首次尝试无线光遗传学,小到可以植入皮肤下,甚至可以引发肌肉或某些器官中的一个信号,这在以前光遗传学是无法达到的。

该研究小组称,这种设备和新的动力机制,为一系列新的实验开辟了途径,可以更好地理解和治疗精神健康障碍、运动障碍和内部器官的疾病。他们有一个斯坦福Bio-X项目,来探索并可能开发新的慢性疼痛治疗方法。

原文链接:

Wirelessly powered, fully internal optogenetics for brain, spinal and peripheral circuits in mice

原文摘要:

To enable sophisticated optogenetic manipulation of neural circuits throughout the nervous system with limited disruption of animal behavior, light-delivery systems beyond fiber optic tethering and large, head-mounted wireless receivers are desirable. We report the development of an easy-to-construct, implantable wireless optogenetic device. Our smallest version (20 mg, 10 mm3) is two orders of magnitude smaller than previously reported wireless optogenetic systems, allowing the entire device to be implanted subcutaneously. With a radio-frequency (RF) power source and controller, this implant produces sufficient light power for optogenetic stimulation with minimal tissue heating (<1 °C). We show how three adaptations of the implant allow for untethered optogenetic control throughout the nervous system (brain, spinal cord and peripheral nerve endings) of behaving mice. This technology opens the door for optogenetic experiments in which animals are able to behave naturally with optogenetic manipulation of both central and peripheral targets.

来源: Nature Methods 浏览次数:0

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