新二皇冠最新手机登录(www.hgw88888888.com):控制大脑的黑科技,是提高照样伦理挑战?

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图片泉源@视觉中国

文丨学术头条,作者丨刘芳,编审丨王新【xin】凯

在科幻〖huan〗影『ying』戏中,我们经常能看到控制另一小我私人大脑的超能力场景,但从科学的角度来看,这并非不能实现。

克日,圣路易斯『si』华盛顿大学麦凯尔维工程学院(McKelvey School of Engineering at Washington University)的研究职员快要红外激光和纳米质料相连系,乐成改变了大脑和心脏神经细胞的流动。

相关功效以 Reversible Photothermal Modulation of Electrical Activity of Excitable Cells using Polydopamine Nanoparticles 为问题,揭晓在 2021 年 7 月的《先进质料》(Advanced Material )杂志上。

用光和纳米质料控制大脑和心脏

事实上,用纳米颗粒和光热效应来改变神经细胞并不是异想天开。

早在 2018 年(nian),日本 RIKEN 脑科学研究所的 Thomas J. McHugh、Shuo Chen 和新加坡国立大学刘小钢团队就曾证实,可以通过在小鼠脑部注射纳米颗粒,并对其举行红外光照射来缄默癫痫神经元,或激起小鼠的恐惧回忆

在这项最新研究中,质料科学家 Srikanth Singamaneni 和生物医学工程师 Barani Raman 进一步证实,将聚多巴胺(PDA)纳米颗粒和近红外光(NIR)相连系的“黑科技”,可以用来控制脑神经细胞的峰值电位和心肌细胞的搏动频率,且操作具有可逆性。

华盛顿大学机械工程与质料科学系教授【shou】 Singamaneni 说:“我们证实可以抑制(大脑)神经元的流动,并可以通过控制激光强度分级抑制它〖ta〗们放电。一旦我们住手光线 *** ,神经元就会完全恢复正常且不会造成任何损伤。”

图 | 大脑神经元发电示意图(泉源:哈佛大学)

除了对培育的脑神经细胞举行研究之外,研究小组还将 PDA 纳米颗粒应用于调控心肌细胞流动上。

有趣的是,光热效应使心肌细胞兴奋,而并不是像大脑神经细胞一样抑制神经元的放电历程。这解释 PDA 纳米颗粒可以凭证靶向细胞的类型差异而增添或降低细胞的兴奋性。

Barani Raman 说:“无论是心肌细胞照样肌肉细胞,其兴奋性在一定水平上都取决于(纳米颗粒的)扩散速率。虽然心肌细胞的【de】流动有自己的纪律,但用温度控制纳米颗粒和神经连系的基本原理是一样的。”

不仅云云,PDA 纳米颗粒还具有高度的(de)生物相容性和生物降解性。也就是说,这种物质可以做到悄无声息地消逝在人体里。

Singamaneni 注释道:“这就好比把咖啡同伙倒入热咖啡中,它会在扩散历程中消融。若是能够很好的控制温度的话,就可以控制纳米颗粒的 de[扩散速率,进而影响神经元流动。这项研究证实,在被纳米颗粒笼罩的神经元周围举行光热效应(将光转化为热)可以成为远程操控特定神经元的一种方式。”

图 | 实验数据示意图『tu』(泉源:Advanced Material)

作者以为,和传统的光遗传学相比,新型纳米质料可对神经细胞举行差异档次的调控,且操作具有微创及可逆的特点。为了更高效的行使光热效应,该团队还设计了一种胶原/PDA纳米颗粒泡沫, 用作光热效应的“附加贴片”。

让大脑神经元住手事情

在研究中,科学家们首先将胎鼠大脑中海马区的神经细胞举行了体外培育。体外存活 14 天后,研究团队向神经细胞注入了 PDA 纳米颗粒,并用功率为 14 mW mm^2 的 808 纳米激光对其举行照射。

实验解释,经由高功率激光照射的『de』神经细胞的存活率与对照组相比无显著转变,证实光热 *** 可以在不导致细胞殒《》命的情形下调治神经元的流动。

接下来,研究团队对大脑神经细胞举行了进一步光热 *** (ji)。在举行近红外辐射(NIR)的历程中,神经元的动作电位(action potentials)数目削减到自觉流动(spontaneous activity)水平以下。在 zai[神经学中,动作电位是实现神经传导和肌肉缩短的心理基础,而细胞发生动作电位的能力被称为兴奋性。也就是说,在近红外辐射的历程‘cheng’中,小鼠大脑神经元兴奋性削弱,神经传导削弱。

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数据显示,当激光功率密度为 3 mW mm^2 时,神经元峰值发放率(spike rate)比之前降低 39%。当激光功率密度增添到 6 mW mm^2 时,峰值发放率下降达 98%,提醒在此照射条件下神经元流动险些完全关闭。换言之,在 PDA 纳米颗粒和激光的配互助用下,体外培育的小鼠大脑神经元完全住手了事情。

图 | 用光照改变神经元流动示意图(泉源:AAAS)

相比之下,未受到 PDA 纳米颗粒处置但也接受了 808 纳米激光照射的神经元活性没有改变。为了进一步验证实验的效果,团队对培育的神经细胞共举行了十次功率为 6 mW mm^2 的激光辐射,每次时长为 30s。在实验中,神经元的流动均险些完全住手。

除了‘liao’大脑神经细胞以外,团队也对经由纳米颗粒处置的心肌细胞举行了近红外激光照射。实验显示,随着激光功率密度从 4 mW增至 14 mW mm^2,心肌组织的搏动频率也随之增添,到达基线活性{xing}的 1.8 倍。而当功率调制最大值 25 mW mm^2 时,心脏细胞泛起了不能逆的搏动频率转变,发生了热毒性。

然而,此次实验并未止步于此。

为了提高纳米颗粒与细胞对接的简捷性并实现光热效应的空间定位,研究团队开发了一种胶原/PDA 纳米颗粒泡沫,并将其作为“附加”贴片应用于培育的神经细胞上。纵然在低至 3 mW mm^2 的激光功率密度下,大脑神经元的活性也下降了 90% 以上。作者以为与无机光热纳米结构(如贵金属纳米颗粒)相比,PDA 纳米结构具有高度的生物相容性和生物降解性,更适合于体内神经调治。

光遗传学手艺的『de』提高及伦理挑战

2004 年炎天的一个深夜,斯坦福大学的 Ed Boyden 将一束蓝光打到了大鼠的小脑壳上,开启了光遗传学探索的第一步。次年,他的好基友 Karl Deisseroth 实验室通过在神“shen”经细胞中表达光敏卵白,响应差异波长的光 *** 实现对神经功效的调控,宣布人类正式拥有了精准操控大脑的工具。

自此,光遗传学呱呱坠地,迅速成为天下各地脑科学实验室的标配之一。

图 | 登上无数顶级期刊封面的 Karl Deisseroth 小鼠(泉源:Nature)

光遗传学无疑是我们准确领会人脑 860 亿个神经元的要害手艺之一。通过精准控制神经元的流动,我们终于有能力推断特“te”定神经元和其功效之间的因果联系,并为治疗脑疾病寻找到神经通路。

一最先,光遗传手艺的侵入性异常高。通常来说,需要在小鼠实验中将光纤直接插入脑内,容易导致脑部损伤和炎症。但随着时间的推移,这项逆天“黑科技”变《bian》得越来越“易于实现”。

2020 年 4 月,麻省理工学院的冯国平团队开发出无需植入便能控制小鼠神经元流动的微创光遗传学手艺。团队行使光敏卵白 SOUL 乐成控制了小鼠外侧下丘脑区域神经元的流动“dong”,他们将照明的光纤置于头‘tou’骨外侧,并没有损坏头骨。

2021 年 5 月,一位患有视网膜色素变性的患者在光遗传学疗法后恢复了部门视力。美国宾西法《fa》尼亚州匹兹堡大学的 Jos Sahel、Botond Roska 和同事将编码了光遗传学感受器 ChrimsonR 的腺相关病毒载体(用于协助基因疗法)注射到这位 58 岁瞽者患者的一只眼睛里,同时行使工程刷新的护目镜举行光 *** 。患者在佩带光 *** 护目镜后可用眼睛识别、计数、定位、触摸差其余物体。

从以上的案例可以看出,光遗传学及其相关衍生手艺已经被用到了包罗大脑在内的种种身体器官的研究中。

图 | 英国‘guo’艺术家 Neil Harbisson,天下上第一个将天线植入头骨的人,也是第一个被 *** 依法承以为半机械人的跨物种人类(泉源: *** )

从速率上来看,用光遗传学手艺治疗疾病或许有着药物不能对比的优势。由于用光激活含有光敏感通道的神经元通常只需要几毫秒,可谓“立竿见影”。

但另一方面,这个特点也(ye)给光遗传手艺带来了响应的伦理挑战。人工体外控制人类的庞大行为与情绪,例如强迫行为、恐惧、抑郁以及杀欲等是否正在变得可行?

参考资料:

https://www.sciencedaily.com/releases/2021/07/210721102311.htm

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008809

https://science.sciencemag.org/content/359/6376/679

https://neu-reality.com/2018/08/optogenetics/

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/5/439313.shtm