虹科技术丨头脑风暴 (上)

 

神经光子学

Neurophotonics

 

 

 

Neurophotonics - 神经光子学，又或称基于光的观察大脑与神经系统的技术，在过去几十年内一直不断推动着脑部疾病的临床研究和治疗。

 

过去二十年内，神经光子学发展迅速的同时，也伴随着人们更多的关注，因此也得到了越来越多的资金支持。新一代的科学工具，技术等发展也让此门研究发展更甚，研究还有许多工作要做，而这一领域的领先科研团队和学者们也从未满足。随着他们工作的复杂性增加，所使用的光学系统的复杂性也必须增加。

 

在二十世纪初，光遗传学技术诞生。这项技术使用了光和基因工程来控制大脑细胞，现在被用于世界各地的大脑研究实验室。近年来，神经科学家用它来研究动物（如啮齿动物）中的神经元群，选择的神经元群尺寸也逐渐增加。

 

在这一过程中，神经元通过基因工程来表达一种特定的蛋白质标记，如绿色荧光蛋白（GFP）。GFP的存在使细胞在受到蓝光照射时发出绿光，这便提供了一个神经活动的视觉指标。通过将传感器分子与这些标记物相融合，研究人员可以通过调节荧光，研究发出局部活动信号的神经元。

 

 

最新发展

Latest developments

 

这一领域的最新发展之一来自于加州理工学院的研究人员，他们设计了一种被称为综合神经光子学的先进技术。他们称，通过这种技术，可以实时观察到某一特定脑回路中的数千到数百万个神经元活动。《神经元杂志》上发表的一篇论文中作了详细介绍，来自其它14个机构的合作者参与了这项研究。另外，研究通过Advancing Innovative Neurotechnologies (Brain) Initiative得到了美国国立卫生研究院（NIH）脑研究的资助，以及获得了美国国防部高级研究计划局、国家科学基金会和Kavli基金会的资助。

 

“大脑计划”于2013年启动，作为一项大规模的计划，其旨在通过为科学家提供正确的工具和信息来研究各种大脑疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病、自闭症、癫痫和脑外伤，从而加速神经科学研究。自该计划启动以来，科学家们一直在开发工具，探索作为大脑功能基础的神经回路。

 

 

综合神经光子学论文的主要研究者是Michael Roukes。加州理工学院物理学、应用物理学和生物工程的Frank J Roshek 教授（从2011年开始与白宫科技政策办公室合作的五位科学家其中之一）和Michael都共同参与启动了后来的大脑计划。

 

加州理工学院高级研究科学家、《神经元杂志》上’Perspectives’论文的主要作者Laurent Moreaux解释道："我们发起这个项目是为了解决哺乳动物的许多主要脑核仍然无法用光学生理学研究的问题，因为自由空间光学显微镜有内在的深度限制，这是由于不透明组织中光散射的基本现象。

 

"为了避免这一深度限制，我们设想使用可植入大脑的集成光子学探针，其形状和大小类似于基于硅柄探针的多电极阵列，这将使我们能够以分布式方式直接将显微镜 "带入 "大脑，并实现使用功能成像技术在深度上探测数量空前的神经元活动。"

 

合作是关键

Collaboration is key

 

加州理工学院的研究人员说，这种新的集成神经光子学方法 "比目前的任何方法都有更大的潜力"。它利用了基于微芯片的集成光子和电子电路的最新进展，将这些进展与光遗传学的进展相结合，并通过使用可植入大脑内部任何深度的光学微芯片的微小组件来发挥作用。这些芯片与荧光分子报告器和光遗传学执行器结合使用，分别用于以光学形式监测神经元和控制其活动。    

 

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什么是荧光分子报告器（Fluorescent molecule reporter）

又称荧光蛋白/报告分子，为测量单个细胞或细胞群的基因表达的工具。；如GFP, CFP, YFP, mCherry...

 

  

什么是光遗传学执行器（Optogenetic actuator）

一种可改变细胞活动的蛋白质。当暴露于光照时，其就会表达。这些致动器可以用来诱导单个或多个动作电位（可以组织成有规律的尖峰序列，也可以以用户控制的速度进行伪随机），抑制神经活动，或修改生化信号通路，对事件的时间进行毫秒级控制。如ChR2, IC1C2, eNpHR等

 

 

这个集成配置通过发出微尺度的光束来刺激它们周围经过基因修饰的神经元，同时记录这些细胞的活动，揭示其功能。虽然这项工作目前是在动物身上进行的，但Roukes相信它最终也会在人脑中得到类似的应用。

他说：“深度的密集记录，这是关键。我们将无法在短时间内记录大脑的所有活动。但是，我们是否可以在特定的脑区专注于它的一些重要的计算结构？这就是我们的动机”。

 

Moreaux也认同，并在论文中指出："我们的目的不仅仅是确定如何增加可以同时记录的神经元的总数。相反，我们探索了在目标组织体积内实现密集记录的可能性，以最终实现对局部脑回路活动的完整询问。我们用‘讯问’ (interrogation) 这个词来表示，通过应用具有单神经元分辨率的模式化、确定性的刺激，来记录和直接操纵脑电路的单个神经元。

 

 

解决问题

Problem solving

 

该团队认为，光遗传学可以解决与神经科学研究依赖植入式电极来测量神经元的电活动有关的一些问题。他们说，由于大脑中的所有电活动干扰，这平均只能可靠地测量一个神经元。大脑不使用光来交流，所以光遗传学可以使研究人员更容易追踪大量的这些信号。

 

然而，许多光遗传学的大脑研究受制于一个重要的物理限制，Moreaux解释说。他说："脑组织既散射又吸收光线，这意味着从大脑外部照射进来的光线只能在内部短距离传播。正因为如此，只有距离大脑表面不到两毫米的区域可以进行光学检查。这就是为什么研究得最好的大脑电路通常是传递感觉信息的简单电路，如老鼠的感觉皮层。它们位于大脑表面附近'。

 

 

从本质上讲，目前的光遗传学方法不能轻易提供关于大脑深处电路的信息。然而，有了这种新的综合神经光子学方法，埋藏在大脑深处的电路可被有效地洞察。该技术允许将完整成像系统的微观元素植入大脑深处的复杂神经回路附近，例如，与记忆形成有关的海马区和控制认知的纹状体。

 

这是与基于电极的方法相比的一个关键优势，"Moreaux说，"因为记录电信号取决于电极是否与被记录的细胞非常接近，所以每个电极并不真正允许有太多的重复性。

 

Roukes将其比作功能磁共振成像（fMRI），一种目前用于对整个大脑进行成像的类似技术。他说："fMRI扫描中的每个体素，或三维像素，通常约为一立方毫米的体积，包含大约10万个神经元。因此，每个体素代表了所有这10万个细胞的平均代谢活动。综合神经光子学的首要目标是实时记录这10万个神经元集合中的每个神经元正在做什么。