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工程师们开发了微创治疗方法来研究大脑

光遗传学已经彻底改变了神经,现在材料科学家已经找到了办法,甚至做得更好。

Neurons lit up in red, green, 和 blue lighting

声音 - 尤其是超声 - 能深入渗透到全身组织,包括大脑。 | sciencesource /帕特里克·兰德曼

光遗传学,对于或多或少随意控制神经元与光,给神经科学家的能力和关闭翻盖的脑细胞,神经科学革命化的工具。

然而该技术面临的一个基本挑战:研究所有但大脑的最外部分,研究人员需要植入光纤或其它侵入性装置传送光深入到大脑。

现在,在 科学的美国国家科学院院刊, CQ9游戏的研究 报告 他们已经找到了一个微创的方式来做到这一点:注射用纳米颗粒将声波转换,它可以轻易地穿透入脑,入光。

“我们的问题是,我们可以消除所有这些植入物提供光?我们的方法提供了一个更侵入性的替代方案,”说 国松红材料科学与工程助理教授,乌仔神经科学学会的会员。

在CQ9游戏开发的部分,光遗传学的基础上的想法,科学家们可以遗传修饰的细胞,如神经元,使他们的一些功能和关闭可见光切换。研究人员利用该工具来更好地了解信息,大脑的不同区域之间的流动,研究社会行为,认知和记忆的基础,并更好地了解神经系统疾病,如帕金森氏。

面临的挑战是,即使在最好的情况下,光光遗传学需要工作只穿透大脑的最上层。学习更深的大脑区域,需要光递送植入物如光纤。不仅是这些植入物侵入性的,它们限制了大脑是如何研究的许多地方可以同时学习。

一个微创替代方案是sonogenetics,即遗传修饰细胞,使它们可以与声音进行控制的技术。不像光,声 - 尤其是超声 - 能深入渗透整个身体组织,包括大脑。但该技术是全新的,而且至今存在控制细胞超声几个选项。

仍然,红和他的团队想通,超声波有潜力,特别是如果他们能找到一个方法来转换声音转换成光 - 而事实证明,存在机械发光材料,如锌硫化物,发出的形式,这样的方式光,当施加外部压力。通过掺杂的硫化锌纳米粒子与钴,红和他的团队发现,他们可以储存光能的纳米粒子,后来释放它与超声。进一步掺杂有银颗粒调谐他们释放只是的光来激活optogenetically改性神经元权波长,无论在哪里这些神经元在大脑中。

有了这些进步,两个障碍依然存在。第一,球队需要得到纳米粒子接近神经元在大脑中没有侵入性的植入物。第二,他们需要一种方法来他们充电,因此,当他们到达了目的地,他们将准备轻放。要解决这两个问题,红和他的团队注入了纳米颗粒到小鼠的血管,使纳米粒子不断流向整个身体 - 尤其是,在大脑和皮肤。当纳米粒子流过皮肤,研究小组推测,光线穿透更深,颗粒充电。在大脑中,从纳米颗粒光接近足以激活optogenetically改性的神经元。

红和他的同事第一次测试他们的想法在人工循环系统,以表明他们能够再次获得纳米粒子光了,补给和补光灯。它们注入下一个相同的颗粒进入小鼠和仔细定位在它们的下方,旨在电机控制电路超声在他们的大脑的装置。然后,研究小组发现,他们可以得到老鼠刚刚打开超声扭动自己的腿。

一个尚未解决的问题,红说,正在他们的超声系统,小到足以在更广泛的实验部署。另一个问题是,纳米粒子本身,而可充电,只持续了几个小时,让血液中过滤掉才,一生球队希望延长。

但如果这些问题能够得到解决,这种方法可以使研究人员能够产生无侵入性的植入物随意光源随时随地体内。如果是的话,它可以使光遗传学用于治疗神经系统疾病的微创,红说,也许延长光疗,类似于用于治疗某些类型的皮肤癌的应用,以及。

“我真的想象这不只是光遗传学,但对于需要光源的任何应用程序的方法”深在身,红说。

该论文的第一作者是研究生 香雾 和 保庄 和博士后研究员朱兴军。额外的作者包括刘俊朗,路易斯·安德烈,kyrstyn翁,肯尼斯·布林森,阿里·马赫迪,乐意地芬诺和汇良王。研究由美国国家卫生研究院资助的助学金,国家科学基金会,脑科学基础,骑士轩尼诗奖学金和 乌仔神经科学.