植入的无线装置能让老鼠瞬间建立联系

西北大学的研究人员正在用光束建立社会联系。

有史以来第一次，西北工程师和神经生物学家都有无线编程 - 然后将小鼠实时彼此互相互动。促进了归功于一流的超敏，无线，无线电池和完全植入式装置它利用光来激活神经元。

本研究是第一个Optogensetics（一种用于控制神经元的方法）探索动物组内的社会互动，其先前不可能与当前的技术。

该研究将于5月10日发表在该杂志上自然神经科学．

这种植入物的轻薄、柔韧、无线特性使老鼠在真实环境中看起来和行为正常，使研究人员能够在自然条件下观察它们。之前使用光遗传学的研究需要光纤线，这可以抑制老鼠的移动，并使它们在社会互动或复杂环境中纠缠在一起。

“在以前的技术下，我们无法观察多种动物在复杂环境下的社会互动，因为它们是被拴在一起的，”设计这个实验的西北大学神经生物学家Yevgenia Kozorovitskiy说。“纤维会断裂，动物会缠在一起。为了研究动物在现实环境中的行为，我们需要这种创新的无线技术。摆脱束缚的感觉非常棒。”

“本文代表了首次在给定环境中同时拥有全面，独立的数字控制的光电机会实现无线，无电池植入物，”西北生物电子先驱John A. Rogers领导技术开发。“孤立的动物中的大脑活动很有趣，但超越对个人的研究，社会互动群体的研究是神经科学中最重要和最令人兴奋的前沿之一。我们现在有技术调查个人之间的债券和休息如何在这些群体中，并检查如何从这些互动中产生社交层次。“

Kozorovitskiy是Soretta and Henry Shapiro分子生物学研究教授和西北温伯格艺术与科学学院神经生物学副教授。她也是化学生命过程研究所的成员。Rogers是McCormick工程学院和西北大学Feinberg医学院材料科学与工程、生物医学工程和神经外科的Louis Simpson和Kimberly Querrey教授，也是Querrey Simpson生物电子研究所的主任。

科佐罗维茨基和罗杰斯与黄永刚(麦考密克机械工程学院Jan and Marcia Achenbach教授)和谢兆谦(中国大连理工大学工程力学教授)共同领导了这项工作。该论文的共同第一作者是西北大学的杨益源、吴明正和亚伯拉罕Vázquez-Guardado-all。

光遗传学的前景与问题

因为人类的大脑它是一个由近1000亿个交织在一起的神经元组成的系统，要探测单个甚至是一组神经元是极其困难的。在2005年左右引入的动物模型中，光遗传学提供了对特定的、以基因为目标的神经元的控制，以便以前所未有的细节来研究它们的连通性或神经递质释放。研究人员首先对活老鼠的神经元进行修饰，以表达一种来自光敏藻类的修饰基因。然后他们可以使用外部光线来专门控制和监测大脑的活动．由于涉及的基因工程，该方法尚未在人类中获得批准。

“这听起来像科幻一样，但这是一种非常有用的技术，”Kozorovitskiy说。“Optogenetics可以很快用于解决失明或逆向瘫痪。”

然而，先前的光遗传学研究受到现有光传递技术的限制。虽然研究人员可以很容易地单独探索一种动物，但同时控制内部灵活的神经活动是一项挑战组动物社会互动。光纤线通常从动物的头部出现，连接到外部光源。然后，一个软件程序可以用来关闭和打开灯，同时监测动物的行为。

“当他们四处走动时，狂热的纤维以不同的方式拖延，”罗杰斯说。“正如预期的那样，这些效果改变了动物的运动模式。因此，必须想知道：您实际上要学习什么行为？您是否研究了与身体限制相关的自然行为或行为？”

无线实时控制

作为无线可穿戴技术领域的世界知名领导者，罗杰斯和他的团队开发了一种微型无线设备，它可以轻轻地放在小动物颅骨的外表面，但却在皮肤和皮毛之下。这个半毫米厚的设备连接着一个尖端带有led的细而灵活的丝状探针，它通过一个微小的颅骨缺陷向下延伸到大脑中。

这种微型设备利用了近场通信协议，与智能手机中用于电子支付的技术相同。研究人员通过电脑上的用户界面对光线进行实时无线操作。围绕在动物周围的天线将能量传送到无线设备，从而消除了对笨重电池的需求。

激活社会关系

为了证明Rogers的技术原理，Kozorovitskiy和他的同事设计了一个实验来探索光遗传学方法来远程控制成对或组小鼠之间的社会互动。

当老鼠在一个封闭的环境中彼此靠近时，科佐罗维茨基的团队无线同步激活了大脑区域中与高级执行功能相关的一组神经元，使它们增加了社会互动的频率和持续时间。去同步化刺激迅速减少了同一对老鼠的社会互动。在一组环境中，研究人员可以随意选择一对，让他们比其他人更容易互动。

“我们实际上并没有思考这会有效，”Kozorovitskiy说。“为了我们的知识，这是对社会行为中神经同步的主要长期假设的第一次直接评估。”