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光控大脑

时间:2019-03-25 10:20:45 来源:锦州农业网 作者:匿名



光控大脑

作者:未知

神经元的神秘面纱在电影《黑衣人》中,威尔史密斯将在处理外星人的场景后拿起一个电子笔形闪光灯,让人们围观,然后眩光会闪烁,旁观者会短暂。记忆将被删除,外星人的经历将不再被记住。

奇异的闪光灯只是科幻电影中的一个道具。所以实际上,是否有真正的技术使用光来控制大脑?

生物学研究表明,人脑就像一个由许多电子元件组成的复杂电路。每个神经细胞就像一个电子元件,所以它被称为“神经元”。

神经元相互连接,构成极其复杂的神经网络。神经元不仅可以通过微电极的电流激活,还可以通过间接方法激活。例如,神经细胞的细胞膜上有许多种蛋白质,一些蛋白质可以控制细胞内外的钠和钾阳离子的浓度,这被称为“离子通道”。 “离子通道”可通过控制阳离子穿过细胞膜的流动并累积元电荷的累积来实现神经细胞的“兴奋”或“抑制”。

科学家设想:如果你可以用光来“打开”或“关闭”“离子通道”,让细胞外阳离子流入或流出,实现神经细胞的“兴奋”或“抑制”,然后小光子可以是“四个或两个”。 “,控制大脑中的神经细胞。”

但是,如何使神经细胞中的“离子通道”对光敏感呢?生物学家已经考虑过使用基因工程来做到这一点。

光遗传学的诞生

我们知道每个细胞携带一块遗传信息DNA。如果生物学家可以修改DNA并添加光敏蛋白的基因(光敏蛋白,光可以变形),那么细胞会自动产生光敏蛋白,从而使细胞的活性可以直接用光控制。

在遗传学中有许多方法可以修饰DNA。最传统的方式是使用病毒。在生命进化的过程中,病毒已经发明了一种DNA“修饰”,它可以切断宿主细胞的DNA并插入一段代码,使宿主细胞能够自我服务。当然,生物学家会预先拆解病毒,删除有害的“代码”,并添加“代码”来制作光敏蛋白。当病毒感染神经细胞时,它会自动产生光敏蛋白。因此,通过基因工程,将光敏蛋白作为后者的“离子通道”植入神经细胞,然后用光激活或抑制神经细胞。这是光遗传学的原理。

2005年,美国斯坦福大学的生物学家首次在实验室中实现了这一原则。他们利用病毒作为载体将天然海藻蛋白“ChR2”感染到小鼠的神经细胞中。 “ChR2”是响应蓝光的“离子通道”。

我们知道大脑的不同大脑区域负责不同的功能,因此生物学家将蓝色发射纤维插入小鼠的不同大脑区域,这将开启大脑的不同功能。例如,当老鼠做梦时,他们会打开特定大脑区域的蓝光,老鼠会陷入激烈的暴力战斗,当他们关灯时,他们会恢复正常。在实验中,“ChR2”的激活非常迅速,足以在几毫秒内控制神经细胞的“开”和“关”。

当然,生物学家发明光遗传学不仅可以对抗老鼠,而且通过这种方式他们研究了负责小鼠战斗行为的大脑区域,为理解大脑的工作机制提供了有力的证据。

改善视力和听力

光遗传学最直接的医学应用是治疗视网膜病变引起的视力退化。麻省理工学院的生物学家成功地将光敏蛋白传递给了未在小鼠中致敏的双极细胞,因此当小鼠视网膜中的感光细胞降解时,大脑仍然可以使用双极细胞。来看看外面的世界。世界上第一个光遗传学的临床应用也是治疗由视网膜色素变性引起的视力丧失,视网膜色素变性是一种遗传性视网膜光感受器细胞退行性疾病。 2016年初,一名被视网膜色素变性失明的女性去了达拉斯的一家医院。医生将含有光敏“离子通道”基因的病毒注射到眼睛中,以诱导其视网膜神经节细胞(视网膜的最内部)。层细胞)产生光敏蛋白质,重新检查外部光线。

受此启发,Aerjian Medical(美国财富500强)也进行了临床试验,以开发更有效的病毒来传播光敏蛋白基因。此外,法国眼病基因治疗公司计划于2018年开始对视网膜色素变性的光遗传学进行临床试验,因为过量的蓝光会损伤视网膜,他们计划使用改进的光敏通道蛋白来应对红光。比蓝灯。除视力外,还有许多其他疾病可通过光遗传学技术治疗。例如,全球有5%的人患有听力障碍。目前,治疗耳聋最有效的方法是人工耳蜗植入。原理是通过诸如耳蜗植入物的电子设备将声音转换成特定的编码电信号。然后通过植入体内的电极刺激螺旋钻以恢复部分听力。然而,目前耳蜗植入物的临床应用不具有高分辨率的声音,并且在复杂和嘈杂的环境中的听力受到影响。最典型的例子是无法欣赏音乐。

为了提高治疗效果,德国哥廷根大学的生物学家正在尝试使用光遗传学而不是人工耳蜗。他们正在研究一种将光敏“离子通道”放入耳蜗细胞的方法,首先将声音信号转换为光,然后将光线引入耳蜗,使耳蜗重新获得声音的感知。

癌症患者的福音

在另一个例子中,硅谷的一家初创公司计划将光遗传学应用于疼痛管理。由于疼痛的神经末梢位于皮肤表面下方,因此可利用病毒载体将蓝光敏感的氯离子通道基因掺入患者的慢性疼痛皮肤中。然后,患者可以使用柔性LED贴片刺激皮肤,使氯化物流入该区域的细胞并减轻其疼痛。显然,光遗传学的优点是与永久关闭疼痛传递的神经相比,保持患者的触觉。该方法在小鼠实验中已经成功。

此外,光遗传学也可用于治疗癌症。众所周知,肿瘤周围存在免疫抑制微环境,导致免疫治疗效果差,其背后的机制与细胞内钙离子浓度的降低有关。如何控制细胞内钙离子的浓度?美国罗彻斯特大学的生物学家提出了光遗传学方法,它利用光作为媒介来引导钙离子,在特定的地方给予光刺激,使钙离子从细胞外流入细胞,从而激活免疫力。系统。

因此,他们将这一想法付诸实践,并在患有黑色素瘤的老鼠身上进行验证。老鼠的耳朵上有黑色素瘤。它们将蓝光二极管结合到小鼠的长肿瘤中,并进入在小鼠中释放“离子通道”的基因修饰的细胞毒性T淋巴细胞。结果显示小鼠的肿瘤显着减少。虽然光遗传学进展很快,但仍处于发展阶段。在这十年中,光遗传学已经使神经回路更具机动性,帮助生物学家澄清某些神经回路对神经回路的意义,或者有一些临床应用。未来,光遗传学将继续发展。也许有一天,人们会安装光纤和LED。那时,控制神经细胞就像切换计算机一样简单。

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