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用光控制神经元 但没有电线或电池

亚利桑那大学生物医学工程教授Philipp Gutruf是该论文的第一作者,该论文发表在Nature Electronics上,用于神经科学研究中的无电池,多模式操作的完全植入式光电系统。

用光控制神经元  但没有电线或电池

光遗传学是一种生物技术,它使用光来打开或关闭大脑中的特定神经元群。例如,研究人员可能会使用光遗传学刺激来恢复瘫痪时的运动,或者在将来关闭引起疼痛的大脑或脊柱区域,从而消除对阿片类药物和阿片类药物和其他止痛药。

“我们正在制作这些工具,以了解大脑的不同部分是如何工作的,”Gutruf说。“光遗传学的优势在于你具有细胞特异性:你可以针对特定的神经元群体,并在整个大脑环境中研究它们的功能和关系。”

在光遗传学中,研究人员用称为视蛋白的蛋白质加载特定的神经元,这些蛋白质将光转换成构成神经元功能的电位。当研究人员在大脑区域照射光时,它仅激活视蛋白负载的神经元。

光遗传学的第一次迭代涉及通过光纤向大脑发送光,这意味着测试对象被物理地束缚到控制站。研究人员继续开发使用无线电子设备的无电池技术,这意味着受试者可以自由移动。

但是这些设备仍然有其自身的局限性 - 它们体积庞大并且通常明显附着在头骨外面,它们不能精确控制光线的频率或强度,它们一次只能刺激大脑的一个区域。

更多的控制和更少的空间

“通过这项研究,我们进一步推进了两到三步,”Gutruf说。“我们能够对发出的光的强度和频率实施数字控制,并且设备非常小型化,因此它们可以植入头皮下。我们还可以独立地刺激同一主体的大脑中的多个位置,以前也不可能。“

控制光线强度的能力至关重要,因为它可以让研究人员准确控制光线对大脑的影响程度 - 光线越亮,光线越远。此外,控制光的强度意味着控制光源产生的热量,并避免被热激活的神经元的意外激活。

无线,无电池植入物由外部振荡磁场供电,尽管具有先进的功能,但并不比过去的版本大得多或重得多。此外,新的天线设计消除了过去版本的光遗传设备所面临的问题,其中传输到设备的信号强度根据大脑的角度而变化:受试者会转过头并且信号会削弱。

“这个系统在一个外壳中有两个天线,我们可以非常快速地来回切换信号,因此我们可以在任何方向为植入物供电,”Gutruf说。“将来,这种技术可以提供无电池的植入物,无需移除或更换设备即可提供不间断的刺激,从而导致比现有起搏器或刺激技术更少侵入性的手术。”

器械采用简单的外科手术,类似于手术,其中人类配有神经刺激器或“脑心脏起搏器”。它们不会对受试者产生不良影响,并且随着时间的推移,它们的功能不会在体内降解。这可能对心脏起搏器等医疗设备产生影响,目前需要每隔5到15年更换一次。

该论文还证明植入这些装置的动物可以通过计算机断层扫描,CT或磁共振成像或MRI进行安全成像,从而可以深入了解临床相关参数,如骨骼和组织状态以及装置。

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