科學家將藍光LED植入老鼠 實現遠端控制

在這個史丹佛的光遺傳學(optogenetics)研究計劃中,這隻老鼠自體的能量可以傳送到植入裝置,使裝置發光,而光則刺激腿部神經。(攝影:Austin Yee)

首個100%生物體內部能源驅動光遺傳學的組合裝置

藉由老鼠自體能量轉換而成的能源發出光線,驅動無線遙控、小如胡椒籽的藍色發光裝置,控制老鼠大腦神經細胞、脊椎或四肢。這個設計是由史丹佛大學的Bio-X團隊研發,是第一個以完全植入的方式傳送光遺傳學神經刺激的裝置。

這是一個結合了光遺傳學─利用光控制大腦活動的研究─以及新發明的無線植入裝置的迷你驅動器。

這個裝置大幅擴展了研究範圍,使研究人員能夠讓植入裝置的老鼠在開放空間自由的和其他生物互動。這項研究於8月17日的Nature Methods刊出。

惰性激發靈感老鼠化身無線接收器

傳統上光遺傳學需要有光纖連接到老鼠頭部,以發出光線並控制神經。這個侷限的裝置雖然可讓老鼠在籠子裡活動,但是無法像沒有戴光纖的老鼠那樣自由行動。而且以前的實驗中,科學家必須接觸到老鼠才能裝上光纖,有可能因此造成老鼠的壓力而改變實驗結果。

這些不得已情況都侷限了光遺傳學所能帶來的貢獻。科學家已經有一些研究斬獲,包含如何阻斷阿茲海默症病患的手震問題以及神經元傳遞痛覺的功能和中風可能的治療方法。但是,如果研究像沮喪或焦慮等與社交互動有關現象,或需要使用迷宮等其他較複雜研究時,戴著光纖進行實驗就令人傷腦筋。

Poon精通製作微型可植入的無線電力裝置。儘管這樣的能力看似對光遺傳學的領域毫無用處,但是Poon參加了一個結合神經學和電機的神經工程工作坊,才發掘這種迷你裝置的用處。

在大家跟進製作類似裝置,使得錫箔帽子橫掃網路之前,請大家認知到:光遺傳學只能作用在經過設計的神經上,而且必須存有對光線有反應的蛋白質。在實驗室裡科學家有的會利用自行繁殖、神經帶有這類蛋白質的老鼠進行實驗,或者他們會設法注射帶有這類蛋白質DNA的病毒到老鼠身上牙線粗細的神經上。一般未經設計的神經元不管是透過光纖或無線裝置,都無法發光。

Poon表示,研發這樣的微型發光裝置不是難事。在工作坊結束後幾個月內,她和同事就成功研發出這種裝置。最大的困難在如何大範圍啟動裝置(發光)且不用向效能妥協。

在行為實驗中,老鼠會四處移動,而研究人員必須要能夠追蹤活動,才能提供能量。Poon知道其他實驗室的解決辦法是在老鼠頭上裝著龐大累贅的裝置,還纏繞著複雜的線圈和感應器以追蹤老鼠。

Poon表示:「我們懶得那樣做,感覺那樣很費工且吃力不討好。」

所以Poon有一個瘋狂的替代方案,把老鼠自體能量轉換成無線頻率能量,並設定成能夠跟老鼠自體共鳴的頻率。儘管聽起來瘋狂,但是真的有效,Poon也將這個研究發現投稿到Physical Review Applied並於8月4日出版,共同作者是John Ho和Yuji Tanabe。

植入無線電力裝置能夠發光並刺激老鼠的大腦、脊椎或四肢。(攝影:Austin Yee)

成功轉換能量讓老鼠發光

雖然有了初步概念,但是一開始並不知道如何製作能夠放大、儲存無線頻率能量的空間。她和Tanabe找上了在國家加速器實驗室(SLAC)研究中心工作過的Tanabe父親幫忙。Tanabe的爸爸稱這個完工的空間為「幼稚園計劃」,但是這個幼稚園計畫確實管用。

本來在一空間裡,能量會朝全方位發散放射。但是在實驗中,研究人員用網格包覆整個空間,每個網格的空隙比能源的波長還要小,於是能量就被隔在這個空間裡了。

關鍵在於網格帶有轉圜空間。例如老鼠的腳如果伸過來,就能夠接觸到所有閣在空間中的能量。而這頻率正好是老鼠體內能夠共鳴的頻率。於是老鼠就成為導體,將能量從這個空間中釋放出來,導入身體,而身體中的能量則由一段老鼠體內裝置上2公厘大小的線圈攔截。

不管老鼠怎麼移動,牠的身體都會接觸到能量,並且將能兩導入驅動裝置。老鼠沒有接觸到的地方則不會有能量散失的情況。也就是說老鼠成為自己的移動電源。

這個傳輸能量的新方法讓團隊能夠利用這麼小的裝置驅動能量。而且在這個情況下,大小很關鍵。這個裝置是第一個利用無線光遺傳學原理,能將這麼小的裝置植入生物皮下,且能夠驅動肌肉或其他器官,在之前的光遺傳學領域前所未見。

團隊表示,這個裝置的新穎驅動機制開啟更多心理健康及行動和內臟疾病的研究可能性。研究團隊得到史丹佛Bio-X資助,能夠更深入研究慢性疼痛的療法。 (翻譯: LEDinside, 張雅涵)

 

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