神經(jīng)光子學(xué)

Neurophotonics

Neurophotonics - 神經(jīng)光子學(xué)，又或稱基于光的觀察大腦與神經(jīng)系統(tǒng)的技術(shù)，在過(guò)去幾十年內(nèi)一直不斷推動(dòng)著腦部疾病的臨床研究和治療。

過(guò)去二十年內(nèi)，神經(jīng)光子學(xué)發(fā)展迅速的同時(shí)，也伴隨著人們更多的關(guān)注，因此也得到了越來(lái)越多的資金支持。新一代的科學(xué)工具，技術(shù)等發(fā)展也讓此門(mén)研究發(fā)展更甚，研究還有許多工作要做，而這一領(lǐng)域的領(lǐng)先科研團(tuán)隊(duì)和學(xué)者們也從未滿足。隨著他們工作的復(fù)雜性增加，所使用的光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性也必須增加。

在二十世紀(jì)初，光遺傳學(xué)技術(shù)誕生。這項(xiàng)技術(shù)使用了光和基因工程來(lái)控制大腦細(xì)胞，現(xiàn)在被用于世界各地的大腦研究實(shí)驗(yàn)室。近年來(lái)，神經(jīng)科學(xué)家用它來(lái)研究動(dòng)物（如嚙齒動(dòng)物）中的神經(jīng)元群，選擇的神經(jīng)元群尺寸也逐漸增加。

在這一過(guò)程中，神經(jīng)元通過(guò)基因工程來(lái)表達(dá)一種特定的蛋白質(zhì)標(biāo)記，如綠色熒光蛋白（GFP）。GFP的存在使細(xì)胞在受到藍(lán)光照射時(shí)發(fā)出綠光，這便提供了一個(gè)神經(jīng)活動(dòng)的視覺(jué)指標(biāo)。通過(guò)將傳感器分子與這些標(biāo)記物相融合，研究人員可以通過(guò)調(diào)節(jié)熒光，研究發(fā)出局部活動(dòng)信號(hào)的神經(jīng)元。

最新發(fā)展

Latest developments

這一領(lǐng)域的最新發(fā)展之一來(lái)自于加州理工學(xué)院的研究人員，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種被稱為綜合神經(jīng)光子學(xué)的先進(jìn)技術(shù)。他們稱，通過(guò)這種技術(shù)，可以實(shí)時(shí)觀察到某一特定腦回路中的數(shù)千到數(shù)百萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)。《神經(jīng)元雜志》上發(fā)表的一篇論文中作了詳細(xì)介紹，來(lái)自其它14個(gè)機(jī)構(gòu)的合作者參與了這項(xiàng)研究。另外，研究通過(guò)Advancing Innovative Neurotechnologies (Brain) Initiative得到了美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）腦研究的資助，以及獲得了美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和Kavli基金會(huì)的資助。

“大腦計(jì)劃”于2013年啟動(dòng)，作為一項(xiàng)大規(guī)模的計(jì)劃，其旨在通過(guò)為科學(xué)家提供正確的工具和信息來(lái)研究各種大腦疾病，如阿爾茨海默病、帕金森病、自閉癥、癲癇和腦外傷，從而加速神經(jīng)科學(xué)研究。自該計(jì)劃啟動(dòng)以來(lái)，科學(xué)家們一直在開(kāi)發(fā)工具，探索作為大腦功能基礎(chǔ)的神經(jīng)回路。

綜合神經(jīng)光子學(xué)論文的主要研究者是Michael Roukes。加州理工學(xué)院物理學(xué)、應(yīng)用物理學(xué)和生物工程的Frank J Roshek教授（從2011年開(kāi)始與白宮科技政策辦公室合作的五位科學(xué)家其中之一）和Michael都共同參與啟動(dòng)了后來(lái)的大腦計(jì)劃。

加州理工學(xué)院高級(jí)研究科學(xué)家、《神經(jīng)元雜志》上’Perspectives’論文的主要作者Laurent Moreaux解釋道："我們發(fā)起這個(gè)項(xiàng)目是為了解決哺乳動(dòng)物的許多主要腦核仍然無(wú)法用光學(xué)生理學(xué)研究的問(wèn)題，因?yàn)樽杂煽臻g光學(xué)顯微鏡有內(nèi)在的深度限制，這是由于不透明組織中光散射的基本現(xiàn)象。

"為了避免這一深度限制，我們?cè)O(shè)想使用可植入大腦的集成光子學(xué)探針，其形狀和大小類(lèi)似于基于硅柄探針的多電極陣列，這將使我們能夠以分布式方式直接將顯微鏡 "帶入 "大腦，并實(shí)現(xiàn)使用功能成像技術(shù)在深度上探測(cè)數(shù)量空前的神經(jīng)元活動(dòng)。"

合作是關(guān)鍵

Collaboration is key

加州理工學(xué)院的研究人員說(shuō)，這種新的集成神經(jīng)光子學(xué)方法 "比目前的任何方法都有更大的潛力"。它利用了基于微芯片的集成光子和電子電路的最新進(jìn)展，將這些進(jìn)展與光遺傳學(xué)的進(jìn)展相結(jié)合，并通過(guò)使用可植入大腦內(nèi)部任何深度的光學(xué)微芯片的微小組件來(lái)發(fā)揮作用。這些芯片與熒光分子報(bào)告器和光遺傳學(xué)執(zhí)行器結(jié)合使用，分別用于以光學(xué)形式監(jiān)測(cè)神經(jīng)元和控制其活動(dòng)。

什么是熒光分子報(bào)告器（Fluorescent molecule reporter）

又稱熒光蛋白/報(bào)告分子，為測(cè)量單個(gè)細(xì)胞或細(xì)胞群的基因表達(dá)的工具。；如GFP, CFP, YFP, mCherry...

什么是光遺傳學(xué)執(zhí)行器（Optogenetic actuator）

一種可改變細(xì)胞活動(dòng)的蛋白質(zhì)。當(dāng)暴露于光照時(shí)，其就會(huì)表達(dá)。這些致動(dòng)器可以用來(lái)誘導(dǎo)單個(gè)或多個(gè)動(dòng)作電位（可以組織成有規(guī)律的尖峰序列，也可以以用戶控制的速度進(jìn)行偽隨機(jī)），抑制神經(jīng)活動(dòng)，或修改生化信號(hào)通路，對(duì)事件的時(shí)間進(jìn)行毫秒級(jí)控制。如ChR2, IC1C2, eNpHR等

這個(gè)集成配置通過(guò)發(fā)出微尺度的光束來(lái)刺激它們周?chē)?jīng)過(guò)基因修飾的神經(jīng)元，同時(shí)記錄這些細(xì)胞的活動(dòng)，揭示其功能。雖然這項(xiàng)工作目前是在動(dòng)物身上進(jìn)行的，但Roukes相信它最終也會(huì)在人腦中得到類(lèi)似的應(yīng)用。

他說(shuō)：“深度的密集記錄，這是關(guān)鍵。我們將無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)記錄大腦的所有活動(dòng)。但是，我們是否可以在特定的腦區(qū)專(zhuān)注于它的一些重要的計(jì)算結(jié)構(gòu)？這就是我們的動(dòng)機(jī)”。

Moreaux也認(rèn)同，并在論文中指出："我們的目的不僅僅是確定如何增加可以同時(shí)記錄的神經(jīng)元的總數(shù)。相反，我們探索了在目標(biāo)組織體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)密集記錄的可能性，以最終實(shí)現(xiàn)對(duì)局部腦回路活動(dòng)的完整詢問(wèn)。我們用‘訊問(wèn)’ (interrogation)這個(gè)詞來(lái)表示，通過(guò)應(yīng)用具有單神經(jīng)元分辨率的模式化、確定性的刺激，來(lái)記錄和直接操縱腦電路的單個(gè)神經(jīng)元。

解決問(wèn)題

Problem solving

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，光遺傳學(xué)可以解決與神經(jīng)科學(xué)研究依賴植入式電極來(lái)測(cè)量神經(jīng)元的電活動(dòng)有關(guān)的一些問(wèn)題。他們說(shuō)，由于大腦中的所有電活動(dòng)干擾，這平均只能可靠地測(cè)量一個(gè)神經(jīng)元。大腦不使用光來(lái)交流，所以光遺傳學(xué)可以使研究人員更容易追蹤大量的這些信號(hào)。

然而，許多光遺傳學(xué)的大腦研究受制于一個(gè)重要的物理限制，Moreaux解釋說(shuō)。他說(shuō)："腦組織既散射又吸收光線，這意味著從大腦外部照射進(jìn)來(lái)的光線只能在內(nèi)部短距離傳播。正因?yàn)槿绱耍挥芯嚯x大腦表面不到兩毫米的區(qū)域可以進(jìn)行光學(xué)檢查。這就是為什么研究得最好的大腦電路通常是傳遞感覺(jué)信息的簡(jiǎn)單電路，如老鼠的感覺(jué)皮層。它們位于大腦表面附近'。

從本質(zhì)上講，目前的光遺傳學(xué)方法不能輕易提供關(guān)于大腦深處電路的信息。然而，有了這種新的綜合神經(jīng)光子學(xué)方法，埋藏在大腦深處的電路可被有效地洞察。該技術(shù)允許將完整成像系統(tǒng)的微觀元素植入大腦深處的復(fù)雜神經(jīng)回路附近，例如，與記憶形成有關(guān)的海馬區(qū)和控制認(rèn)知的紋狀體。

這是與基于電極的方法相比的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，"Moreaux說(shuō)，"因?yàn)橛涗涬娦盘?hào)取決于電極是否與被記錄的細(xì)胞非常接近，所以每個(gè)電極并不真正允許有太多的重復(fù)性。

Roukes將其比作功能磁共振成像（fMRI），一種目前用于對(duì)整個(gè)大腦進(jìn)行成像的類(lèi)似技術(shù)。他說(shuō)："fMRI掃描中的每個(gè)體素，或三維像素，通常約為一立方毫米的體積，包含大約10萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元。因此，每個(gè)體素代表了所有這10萬(wàn)個(gè)細(xì)胞的平均代謝活動(dòng)。綜合神經(jīng)光子學(xué)的首要目標(biāo)是實(shí)時(shí)記錄這10萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元集合中的每個(gè)神經(jīng)元正在做什么。