GETTY IMAGES

来源： IEEE电气电子工程师

近日，科学家首次发明了一种非侵入性的方法来控制大脑回路——大脑中的神经元群，它们共同执行一项特定任务，成功完成了让实验室动物从远处自由移动。这项将近红外光射入大脑的新技术，可能有助于研究人员分析大脑在正常行为中的工作方式，并可能有一天为人类脑部疾病带来新的治疗方法。

3月21日发表在《自然生物医学工程（Nature Biomedical Engineering）》杂志上的这项新研究详细阐述了这一发现，其基础是在光遗传学领域进行了大约20年的研究。光遗传学是一种利用可见光爆发来控制转基因细胞对光照做出反应的技术。科学家利用光遗传学分析了小鼠和其他实验动物的大脑回路，以阐明它们在人类身上可能如何工作。

然而，由于对可见光的依赖，现有的光遗传学技术通常只能实现有限的功能。大脑对可见光非常不透明，因此将光传送到研究人员想要瞄准的神经元通常需要有创性的植入物和安装在颅骨上的光纤电缆，“这不可避免地会导致大脑损伤或改变动物的行为，”该研究的联合首席作者、斯坦福大学的材料科学家和神经工程师Xiang Wu如此表示。

在一项新的研究中，研究人员通过使用近红外光克服了这个问题，特别是波长在1000到1700纳米之间的近红外光，被称为“近红外光II”，包括大脑和头骨在内的生物组织基本上是透明的。这使得把这样的光传递到大脑更深处成为可能。

STANFORD UNIVERSITY/NATURE BIOMEDICAL ENGINEERING

首先，科学家们对细胞进行基因改造，以产生一种称为TRPV1的分子。这种热敏蛋白有助于人们感觉热相关的疼痛，以及辣椒的辛辣燃烧感，其发现在2021获得了诺贝尔医学奖。一种类似的分子赋予响尾蛇和其他响尾蛇在黑暗中捕食温血动物的能力。

研究人员还开发了纳米颗粒，可以吸收近红外II光，并将其转化为TRPV1可以感知的热量。这些大约40纳米宽的粒子被称为MINDS，是“用于脑深部刺激的高分子红外纳米传感器”，由用于生产有机太阳能电池和LED的可生物降解聚合物制成。

在小鼠实验中，科学家们对控制这些啮齿类动物运动的运动皮层一侧的神经元进行了基因改造，并将大脑注入同一区域。正常情况下，小鼠随机探索它们的外壳，但当近红外II灯在它们身上打开时，它们开始在运动皮层的单侧刺激下绕圈子。

研究人员发现，他们还可以将新技术应用于位于小鼠颅骨深处大脑底部附近的反馈相关神经元。结果发现，小老鼠对可以刺激多巴胺神经元的红外光“上瘾”，待在光线照射下的时间最久。这并表明该方法可以瞄准大脑中任何地方的神经元，即使近红外II光被放置在距离动物头部一米远的地方。

这种无创控制特定大脑回路的新方法可能有助于科学家了解小鼠自然行为的基础，而由于系带和大脑植入物的阻碍，科学家可能无法用光遗传学进行研究。“我们可以通过几个近红外II光束来跟踪多个相互作用的动物的运动，从而独立调节它们的神经活动，”Wu说，“这在传统的基于纤维的光遗传学中尤其困难，因为纤维可以抑制动物的行为，而老鼠往往还会咬它们。”

此外，“我们的实验室目前正在开发新技术，可以使神经元对无线电波敏感，” Wu说，“这需要设计全新的材料系统和相当多的工程努力。”

科学家们指出，他们的新技术仍然需要进行侵入性脑手术，才能将基因修饰病毒和MINDS送入大脑。Wu指出，在未来，他们可以借助超声波使他们的方法更具侵入性，这有助于打开血脑屏障——防止大多数大分子进入大脑的保护膜从而进入大脑。

研究人员表示，这项技术如果最终成熟，可以用于临床上调节病人大脑中的特异神经元回路，治疗一些神经系统的疾病，如癫痫等，但在此之前还有大量工作要做。

未来智能实验室的主要工作包括：建立AI智能系统智商评测体系，开展世界人工智能智商评测；开展互联网（城市）大脑研究计划，构建互联网（城市）大脑技术和企业图谱，为提升企业，行业与城市的智能水平服务。每日推荐范围未来科技发展趋势的学习型文章。目前线上平台已收藏上千篇精华前沿科技文章和报告。

  如果您对实验室的研究感兴趣，欢迎加入未来智能实验室线上平台。扫描以下二维码或点击本文左下角“阅读原文”