工程师开发一种无线的,完全可植入的装置来刺激小鼠的神经


结合光遗传学 - 使用光来控制大脑的活动 - 与新开发的技术为无线供电植入设备的微型设备是第一个完全内部交付optogenetics的方法。

该设备大大扩展了可通过光遗传学进行研究的范围,包括在封闭空间中涉及老鼠的实验或与其他动物自由交互的实验。这项工作发表在自然方法的8月17日版。斯坦福电气工程助理教授Ada Poon表示:“这是一种为光遗传学提供无线功率的新方法。 “在实验过程中,它更小巧,鼠标可以四处移动。”(见视频)

该设备可以在实验室中进行组装和重新配置以满足不同的用途,电源的设计也是公开的。 “我认为其他实验室将能够适应这个工作,”潘说。

缩小比例

传统上,光遗传学需要将光缆连接到鼠标头部,以传递光线和控制神经。有了这个有点限制性的头盔,老鼠可以在一个开放的笼子里移动,但是不能在一个封闭的空间中行走,或者像一个没有阻碍的老鼠一样,在一堆睡觉的笼子里钻进去。而且,在实验之前,科学家必须处理鼠标以连接电缆,强调鼠标并可能改变实验的结果。

这些限制限制了通过光遗传学可以学到的东西。人们已经成功地研究了一系列科学问题,包括如何缓解帕金森病的震颤,传递疼痛的神经元的功能以及可能的中风治疗方法。然而,解决与抑郁或焦虑等社会成分有关的问题或涉及迷宫和其他类型的复杂运动的问题在鼠标被束缚时更具挑战性。

潘为自己创造了一个名字,创造了微型,植入式,无线供电设备。虽然这个能力在光遗传学领域是非常需要的,但是在她参加神经工程学研讨会,聚集来自神经科学和工程学的教员之前,潘尚不知道。

在那次事件中,潘遇到了洛根·格罗塞尼克(Logan Grosenick),他是来自斯坦福大学生物工程和精神病学和行为科学教授卡尔·戴瑟罗斯(Karl Deisseroth)实验室的研究生,他发明了光遗传学。但格罗宁尼克没有时间来领导合作。

通过后续对话,潘最终遇到了研究生凯特·蒙哥马利,他是在生物工程和机械工程教授斯科特·德尔普的实验室工作,并与Deisseroth合作。 “很显然,这可以为神经科学提供强有力的工具。我们只需要证明它会起作用,“德尔普说。 “从那时起,我们的实验室已经建立了一种持久的科学关系,”蒙哥马利说。他通过斯坦福生物X公司获得了一个跨学科研究奖学金。她和在Poon实验室工作的研究生亚历山大·叶(Alexander Yeh)是研究论文的第一作者。

在新一轮的锡纸帽子设计接管互联网之前,重要的是澄清一点:光遗传学只适用于精心准备的含有对光线有反应的蛋白质的神经。在实验室里,科学家要么在老鼠的某些神经组织中培养出这些蛋白质,要么就会小心翼翼地将带有蛋白质DNA的病毒注入到牙线大小的神经中。通过光纤电缆或无线设备发出的光线对没有准备好的神经元没有任何效果。

启动

潘表示,开发微型设备来传递光是很容易的部分。她和她的同事们开发了这个工具,并在研讨会结束几个月后开始工作。要弄清楚如何在不影响电源效率的情况下在大面积上供电,那是困难的。

在行为实验中,鼠标将四处移动,研究人员需要一种跟踪该移动以提供本地化 功率。潘知道其他实验室正在解决相同的问题,使用庞大的设备,粘贴到头骨和复杂的线圈阵列配对传感器来定位鼠标,并提供本地化的权力。

“我们很懒,”潘说。 “这听起来像很多工作。”

所以,她得到了她所说的一个疯狂的想法,使用鼠标自己的身体来传递无线电频率能量,这是正确的波长共鸣鼠标。疯狂也许,但它的工作,她发表了结果8月4日在物理评论应用与合着的第一作者约翰何,研究生,现在是新加坡国立大学助理教授,田边裕司,研究助理在她的实验室。

潘有想法,但最初不知道如何建立一个房间放大和存储无线电频率能量。她和Tanabe和Tanabe的父亲进行了交谈,Tanabe的父亲曾在斯坦福大学SLAC研究中心工作过,对加工这样一个空腔知道一两件事,然后到日本做初步的装配和测试。

田边爸爸把他们的最后一个房间称为“幼儿园项目”,但它工作。然而,在它的本土状态下,开放室将向各个方向辐射能量。取而代之的是,一个格子被覆盖在腔室的顶部,其孔洞小于其内所含能量的波长。这基本上把能量困在室内。

关键是在网格上有一点摆动的空间。所以如果像鼠爪这样的东西存在,它会接触到所有存储能量的边界。记住波长是如何在老鼠中产生共振的确切波长?鼠标本质上变成一个导管,将能量从腔室释放到其体内,由设备中的2mm线圈捕获。

无论鼠标移动到什么位置,它的身体都会接触到能量,并将其吸入并为设备供电。在其他地方,能量保持完整。这样,鼠标就成为了自己的电力传输定位设备。

这种传递力量的新颖方式就是让团队创造这样一个小装置。在这种情况下,大小是至关重要的。该设备是无线光遗传学的第一次尝试,其体积足够小,可植入皮下,甚至可以触发肌肉或某些器官的信号,这些信号以前无法在光遗传学中使用。

该研究小组说,该装置和新颖的动力机制打开了一系列新的实验的大门,以更好地了解和治疗精神疾病,运动​​障碍和内部器官疾病。他们有一个斯坦福大学生物X的资助,探索和可能开发慢性疼痛的新疗法。