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Nature 子刊:科学家能远程控制小鼠社交,无线颅内植入物厚度仅半毫米

本文作者:付静 2021-05-12 18:26
导语:此前同类研究所用到的均为有线设备,实验结果可能受到光纤线的干扰。

一直以来,科学家们关注着一个话题:其他动物之间能否交际沟通?动物的社交方式是怎样的?

已有的研究成果告诉我们,动物之间要进行通讯联系,媒介可以是伴有特殊气味的信息素、独特的行为语言、特定的发声方式、强大的感知力等等。

而最近的一项研究表明,科学家们不仅能发现小动物之间的「社交秘密」,甚至可以用特定技术手段主动控制其实时社交行为!

Nature 子刊:科学家能远程控制小鼠社交,无线颅内植入物厚度仅半毫米

研究团队用光束建立起了小鼠的社交纽带,通过「无线编程-取消编程」的方式,在小鼠头骨中嵌入神经植入物,植入物的激活/关闭恰好对应着小鼠社交与否。

Nature 子刊:科学家能远程控制小鼠社交,无线颅内植入物厚度仅半毫米

2021 年 5 月 10 日,相关论文发表于 Nature 子刊 Nature Neuroscience(《自然-神经科学》),题为 Wireless multilateral devices for optogenetic studies of individual and social behaviors(用于个人和社会行为的光遗传学研究无线多边装置)。

Nature 子刊:科学家能远程控制小鼠社交,无线颅内植入物厚度仅半毫米

动物间的首次实时社交控制

为实现小鼠社交实时控制,科学家们设计了下图这款厚度仅有半毫米的、小而薄的无线神器,研究人员将其作为植入物置于小鼠头骨位置。

Nature 子刊:科学家能远程控制小鼠社交,无线颅内植入物厚度仅半毫米

据官方介绍:

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,研究人员只需通过电脑对光线进行实时无线操作。围绕在动物周围的天线可将能量传送至无线设备,从而消除了对笨重电池的需求。

具体来讲,植入物与一种尖端有 led 的丝状微型探针相连,led 将会与小鼠大脑的中央执行区同步,而这一区域负责反馈大脑奖赏信息。

这里的“奖赏”为何物,我们可以通过人脑进行理解——当人们作出某一决策后,若被证实正确且产生了积极结果,大脑就会向负责决策的区域发送“奖赏”信号,这将促进认知能力的提升,并形成良性循环,这一过程即「奖赏效应」。此前有研究表明,这一效应所处的大脑区域有特殊神经元释放神经递质多巴胺,它会让人们产生积极情绪。

正是上述同步机制激活了小鼠之间的联系。

Nature 子刊:科学家能远程控制小鼠社交,无线颅内植入物厚度仅半毫米

同样的道理,如果要减少两只小鼠的社交活动,只需切断上述同步机制。

Nature 子刊:科学家能远程控制小鼠社交,无线颅内植入物厚度仅半毫米

具体的实验表明,当两只小鼠在封闭环境中彼此靠近时,研究人员可以无线同步,激活大脑区域中与高级执行功能相关的一组神经元,使得小鼠交流的频率和持续时间增加;而这对小鼠的互动则可通过去同步化刺激迅速减少。

实验原理看似简单,其实有着重要的意义。

人脑是一个由近 1000 亿个交织在一起的神经元组成的系统,要探测单个或一组神经元都是极其困难的。2005 年前后,研究团队在引入的动物模型中,通过光遗传学提供了对特定的、以基因为目标的神经元的控制,以便研究它们的连通性或神经递质释放。

当时,研究人员首先对小鼠的神经元进行修饰,使其表达一种来自光敏藻类的修饰基因;然后科学家们利用外部光线控制、监测大脑活动。由于涉及到基因工程,该方法尚未被批准用于人类——但放眼未来,光遗传学有朝一日将用于治疗失明或瘫痪。

实际上,此前这类研究中所用到的均为有线设备,其问题主要在于光纤线可能出现缠绕甚至断裂的情况,科学家们很难判定动物是否仅因光纤线影响而表现出不同行为。

对此,论文通讯作者之一、实验设计者、西北大学神经生物学家 Yevgenia Kozorovitskiy 表示:

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。

美国顶尖私立研究型大学西北大学(Northwestern University)通过其官网表示:

西北大学的工程师和神经生物学家们首次实现了动物间的实时社交互动,这得益于他们研发的首款使用光激活神经元的超微型、无线、无电池、完全可植入设备。同时,这项研究也是学界首次通过光遗传学探索动物间的社交互动。

关于作者

实际上除了美国西北大学,这一研究亦有众多名校研究人员参与。

该论文作者主要来自:

  • 美国高校及科研院所:西北大学、陆军研究实验室、陆军化学防御医学研究所、华盛顿大学、科罗拉多大学博尔德分校;

  • 中国高校及科研院所:上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室、清华大学(物理系、电子工程系)、西南交通大学土木工程学院、天津大学化学工程与技术学院、香港城市大学生物医学工程系、大连理工大学工程力学系工业设备结构分析国家重点实验室;

  • 美国企业:马里兰州贝尔坎普市咨询工程公司、伊利诺伊州埃文斯顿 Neurolux 公司;

  • 印度科研院所:科技部中央科学仪器组织。

其中包括这样三位科学家:

一是 Yevgenia Kozorovitskiy。

Nature 子刊:科学家能远程控制小鼠社交,无线颅内植入物厚度仅半毫米

Yevgenia Kozorovitskiy 是西北大学分子生物学研究教授、神经生物学副教授、化学生命过程研究所成员。其主要研究领域为系统神经科学、发育神经科学、细胞与分子神经科学等。

二是 John A. Rogers。

Rogers 是国际著名材料学家、物理学家及化学家,现为美国国家科学院、美国国家工程院、美国艺术与科学学院三院院士。他在西北大学材料科学与工程、生物医学工程和神经外科等专业担任教授,也是该校 Querrey Simpson 生物电子研究所主任。

Nature 子刊:科学家能远程控制小鼠社交,无线颅内植入物厚度仅半毫米

对于此次研究,John Rogers 这样评价:

从个体研究到对会产生复杂社交互动的群体研究,是神经科学最重要、最令人兴奋的前沿领域之一。

三是黄永刚。

Nature 子刊:科学家能远程控制小鼠社交,无线颅内植入物厚度仅半毫米

黄永刚是华人固体力学家,现为美国科学院院士、美国国家工程院院士、美国艺术与科学院院士、欧洲科学院院士、中国科学院外籍院士,美国西北大学冠名讲席教授。其主要研究领域是材料和电子器件的力学行为,曾与合作者共同开创了可延展无机电子器件领域,并创立了基于微观机制的应变梯度理论。

引用来源:

https://www.nature.com/articles/s41593-021-00849-x

https://news.northwestern.edu/stories/2021/05/implanted-wireless-device-triggers-mice-to-form-instant-bond/

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