光遺傳學(xué)把光敏基因和光源結(jié)合在一起，用來(lái)選擇性地打開(kāi)或關(guān)閉大腦。光遺傳學(xué)已經(jīng)成為有希望的研究工具和潛在療法。不過(guò)，這一技術(shù)大部分時(shí)候只把光打到某個(gè)點(diǎn)上，而腦部活動(dòng)經(jīng)常包括不同區(qū)域以復(fù)雜的順序被激活。一個(gè)新的設(shè)備可以讓光遺傳學(xué)變成三維技術(shù)，把光的模式發(fā)送到腦部不同坐標(biāo)的神經(jīng)元上。

“在接下來(lái)的幾年里，會(huì)出現(xiàn)大量的類似設(shè)備，”布朗大學(xué)納米光學(xué)和神經(jīng)工程實(shí)驗(yàn)室(Nanophotonics and Neuroengineering Laboratory)的研究助理教授伊爾凱爾•厄茲登(Ilker Ozden)說(shuō)。Ozden并沒(méi)有參與這項(xiàng)研究，但卻是幾個(gè)研發(fā)類似技術(shù)的研究人員之一。

論文的通訊作者埃德•博伊登(Ed Boyden)表示：“大腦是一個(gè)3D的東西。” 博伊登還是MIT媒體實(shí)驗(yàn)室合成生物學(xué)研究組(Synthetic Biology Group)的主任。

到目前為止，大多數(shù)光遺傳學(xué)研究只用一兩根光纖打開(kāi)或關(guān)閉一小塊腦部組織。很多實(shí)驗(yàn)室正在尋找提升控制級(jí)別的方法。博伊登說(shuō)，使用一束光就好像用一個(gè)音符演奏，而3D探測(cè)器讓“像彈鋼琴一樣操縱大腦”變成了可能。

光控：這幅光學(xué)顯微照片顯示了三維光探針列，可用激光和微鏡進(jìn)行任意模式的照明。

這一光學(xué)遺傳設(shè)備能以設(shè)定好的模式激活腦細(xì)胞。

兩年前，博伊登的團(tuán)隊(duì)和MIT的克利夫頓•芳斯塔德(Clifton Fonstad)實(shí)驗(yàn)室合作，發(fā)明了線性光遺傳學(xué)探測(cè)器。這款探測(cè)器帶有很多名為波導(dǎo)管(waveguide)的平行通道，可以引導(dǎo)光線射到探測(cè)器指向的不同點(diǎn)中的任何一個(gè)點(diǎn)。

新設(shè)備發(fā)表在《光學(xué)快報(bào)》(Optics Letters)上。在它的尖上還帶有一個(gè)可移植的，精細(xì)制造的部位，可以在不同深度上發(fā)光。博伊登的團(tuán)隊(duì)利用激光光源和一列微小的鏡子(可以把光導(dǎo)向或?qū)щx波導(dǎo)管)創(chuàng)建時(shí)間和空間的模式。與此同時(shí)，微鏡頭可以把通過(guò)波導(dǎo)管的光導(dǎo)向腦部。波導(dǎo)管一端的鏡子可以把光發(fā)送到細(xì)胞里。

雖然論文沒(méi)有展示設(shè)備在腦部的應(yīng)用，但是博伊登表示他的團(tuán)隊(duì)正把設(shè)備植入活體小鼠的腦部，并按照模式激活神經(jīng)元。

“有了3D陣列以后，我們可以做很多之前做不到的事，” 博伊登說(shuō)。例如，該技術(shù)可用來(lái)系統(tǒng)地精確定位產(chǎn)生某個(gè)行為的特定細(xì)胞區(qū)域，或是產(chǎn)生隨機(jī)的模式并研究它們的效果。

它還可以制造出控制性更強(qiáng)、更靈活的基于光遺傳學(xué)的神經(jīng)假體。厄茲登說(shuō)，這樣的神經(jīng)假體必須對(duì)不同的腦區(qū)產(chǎn)生不同的刺激模式才會(huì)有效。博伊登表示另外一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo)是理解疾病惡化或是腦部對(duì)療法作出反應(yīng)時(shí)腦活動(dòng)的特定順序。