无需植入控制设备，就能远程“操纵”生物大脑？

最新发表在Nature子刊上的一项研究，一经登出便冲上热搜：

尽管这次的实验对象不是人类而是小鼠，不少网友看过后第一反应还是“太危险了”、“有点反人类”：

所以，这真的是一项特别可怕的技术么？

事实上，这项研究主要是通过一定的技术手段，使用特殊光线照射小鼠头部，开启它的“运动模式”——老忍不住想转悠。

可以说是真·物理锻炼了（手动狗头）。

而且，这项技术确实极具突破性。

据斯坦福大学介绍，这是科学家第一次通过不侵入大脑的方式，成功远距离控制正常生物的神经回路。

整个过程中，没有植入设备，也没有对小鼠的头皮和头骨造成损伤。

同时，它也不仅是一项技术探索，还在治疗神经系统疾病上有一定应用价值。

下面我们具体来看一下。

利用近红外光，远程操控脑细胞

事实上，用光来控制脑细胞，已经是个比较成熟的研究了。

最典型的技术之一，就是光遗传学，它曾被Science评为过去十年“生物领域10大突破研究”之一，甚至一度被预测是诺奖级研究成果（获评过“诺奖风向标”拉斯克奖）。

这项技术也是被斯坦福大学提出，具体指将外源（并非体内自然产生的）光敏蛋白基因导入脑细胞中，让脑细胞在细胞膜结构上表达出光敏蛋白。

然后，再用特定波长的光去照射这些细胞，就能控制光敏感蛋白的激活和关闭，从而激活或抑制大脑中的神经元，达到“控制脑细胞”的目的。

BUT，这项技术一直有个缺陷——

必须安装光学植入设备，颅骨上还要插根光纤系带。

这是因为，光遗传学严重依赖可见光，而大脑又是不透明的，没办法被可见光穿过。

但植入设备不仅会造成组织损伤，还会限制生物的自由活动，想研究生物自然行为下的脑神经活动就会变得困难。

最新的这项研究中，科学家们终于成功摘掉了小鼠头上的植入设备。

他们发现了一种近红外光，也就是1000-1700nm的近红外二区波段，这种光能在高度散射的脑组织中，保持较高的穿透性。

不植入光学设备，如何通过光信号控制脑细胞呢？

这就要提到生物体内一种叫做TRPV1的蛋白质，去年诺贝尔生理学或医学奖就是颁给了它的发现者。

具体来说，它是一种辣椒素（产生灼烧&痛感的东西）受体，也就是一种会对热和疼痛产生反应的离子通道蛋白，也就是对热&疼痛非常敏感。

把它植入响尾蛇体内，响尾蛇就可以在黑夜中捕食温血猎物；把它植入小鼠视网膜锥体细胞中，就能赋予了老鼠在红外光谱中的视觉能力。

不过，科学家将这种热敏性分子植入小鼠神经元中后发现，它对近红外光的热信号不起作用，因为光热信号还是太小。

这里的植入，指的是用包裹TRPV1的腺病毒转染目标神经元，也就是将DNA、RNA或蛋白质引入细胞。

于是，他们又设计了一种“传感器”分子，叫做MINDS，专门用来吸收和放大红外光。

这样一来，就完成了整个系统的原理设计。

希望用于治疗神经系统疾病

接下来是进行更进一步的实验，来验证这种理论是否可行。

科学家们先是在小鼠大脑运动皮层一侧神经元中添加TRPV1通道，再注入MINDS分子，最后观察小鼠的行为。

△秃头小鼠，让光线更容易穿透

他们惊奇地发现，当围栏上方1m处的红外灯被打开时，一开始只在小范围活动的小鼠，立刻开始绕圈，大幅增加活动范围。

黑线代表照射之前的小鼠活动轨迹，红线代表照射中，灰线代表照射结束后。

对照组的小鼠却没有这种反应。

也就是说，近红外光对小鼠的大脑运动细胞的刺激奏效了。

他们还将这两种分子先后注入小鼠的多巴胺表达神经元中，两天以后，在小鼠呆的Y型迷宫中放置红外光聚焦装置。

结果发现，小鼠对可以刺激多巴胺神经元的红外光“上瘾”，呆在光线照射下的时间最久。

△ 不同颜色代表小鼠停留的时间，红色最久

嗯，又奏效了。

而运动神经元位于大脑上方，多巴胺神经元位于大脑底部，这也说明，这种通过近红外光控制的非侵入式方法对大脑任何区域的神经元都有效。

据论文通讯作者洪国松介绍，这项研究的目的，主要是希望通过这种非侵入的方法，实现神经科学中最大的未满足需求之一——

在小鼠在自由活动（比如社交）下，观察并记录它们大脑深处特定脑细胞和回路的功能。

进一步地，这种方法也有助于更好地了解人类认知系统。

这项技术如果最终成熟，可以用于临床上调节病人大脑中的特异神经元回路，治疗一些神经系统的疾病，如癫痫等。

仔细看过这项研究后，有网友提出，这些研究不仅是探索神经元功能非常重要的研究工具和方法，而且也为研究大脑提供了极为重要的基础：

还有网友希望它能被用于更多疾病、如阿尔兹海默症的治疗中。

研究来自华人团队

这项研究由斯坦福大学的洪国松团队、以及新加坡南洋理工大学的浦侃裔团队合作完成。

一作有两位，一位是来自斯坦福大学的博士生Wu Xiang，另一位是来自南洋理工大学的姜语嫣。

通讯作者为洪国松，斯坦福大学材料科学与工程学院、吴蔡神经科学研究院（由吴明华-蔡崇信夫妇捐赠改名）的助理教授。

他本科毕业于北京大学，后来于斯坦福大学获得化学博士学位后，到哈佛大学进行博士后工作，并于2018年加入斯坦福大学，目前的研究方向是材料科学与神经科学。

△洪国松

共同通讯作者为浦侃裔，新加坡南洋理工大学副教授，此前本科毕业于华东理工大学，在复旦大学获得硕士学位后，在新加坡国立大学获得博士学位，并于斯坦福大学进行过博士后工作。

他的研究方向是高分子材料和生物材料，包括纳米技术等，两位通讯作者论文引用次数也均在20000+以上。

△浦侃裔

那么，你希望这项研究被应用在哪些方向呢？