科學家能遠程控制小鼠社交無線顱內植入物厚度僅半毫米

一直以來，科學家們關注着一個話題：其他動物之間能否交際溝通？動物的社交方式是怎樣的？已有的研究成果告訴我們，動物之間要進行通訊聯繫，媒介可以是伴有特殊氣味的信息素、獨特的行為語言、特定的發聲方式、強大的感知力等等。

而最近的一項研究表明，科學家們不僅能發現小動物之間的“社交秘密”，甚至可以用特定技術手段主動控制其實時社交行為！

研究團隊用光束建立起了小鼠的社交紐帶，通過“無線編程-取消編程”的方式，在小鼠頭骨中嵌入神經植入物，植入物的激活/關閉恰好對應着小鼠社交與否。

2021 年 5 月 10 日，相關論文發表於 Nature 子刊 Nature Neuroscience（《自然-神經科學》），題為 Wireless multilateral devices for optogenetic studies of individual and social behaviors（用於個人和社會行為的光遺傳學研究無線多邊裝置）。

動物間的首次實時社交控制

為實現小鼠社交實時控制，科學家們設計了下圖這款厚度僅有半毫米的、小而薄的無線神器，研究人員將其作為植入物置於小鼠頭骨位置。

據官方介紹：

設備利用了近場通信協議，與智能手機中用於電子支付的技術相同，研究人員只需通過電腦對光線進行實時無線操作。圍繞在動物周圍的天線可將能量傳送至無線設備，從而消除了對笨重電池的需求。

具體來講，植入物與一種尖端有 led 的絲狀微型探針相連，led 將會與小鼠大腦的中央執行區同步，而這一區域負責反饋大腦獎賞信息。

這裡的“獎賞”為何物，我們可以通過人腦進行理解——當人們作出某一決策后，若被證實正確且產生了積極結果，大腦就會向負責決策的區域發送“獎賞”信號，這將促進認知能力的提升，並形成良性循環，這一過程即“獎賞效應”。此前有研究表明，這一效應所處的大腦區域有特殊神經元釋放神經遞質多巴胺，它會讓人們產生積極情緒。

正是上述同步機制激活了小鼠之間的聯繫。

同樣的道理，如果要減少兩隻小鼠的社交活動，只需切斷上述同步機制。

具體的實驗表明，當兩隻小鼠在封閉環境中彼此靠近時，研究人員可以無線同步，激活大腦區域中與高級執行功能相關的一組神經元，使得小鼠交流的頻率和持續時間增加；而這對小鼠的互動則可通過去同步化刺激迅速減少。

實驗原理看似簡單，其實有着重要的意義。

人腦是一個由近 1000 億個交織在一起的神經元組成的系統，要探測單個或一組神經元都是極其困難的。2005 年前後，研究團隊在引入的動物模型中，通過光遺傳學提供了對特定的、以基因為目標的神經元的控制，以便研究它們的連通性或神經遞質釋放。

當時，研究人員首先對小鼠的神經元進行修飾，使其表達一種來自光敏藻類的修飾基因；然後科學家們利用外部光線控制、監測大腦活動。由於涉及到基因工程，該方法尚未被批准用於人類——但放眼未來，光遺傳學有朝一日將用於治療失明或癱瘓。

實際上，此前這類研究中所用到的均為有線設備，其問題主要在於光纖線可能出現纏繞甚至斷裂的情況，科學家們很難判定動物是否僅因光纖線影響而表現出不同行為。

對此，論文通訊作者之一、實驗設計者、西北大學神經生物學家 Yevgenia Kozorovitskiy 表示：

為了研究動物在現實環境中的行為，我們需要這種創新的無線技術。

美國頂尖私立研究型大學西北大學（Northwestern University）通過其官網表示：

西北大學的工程師和神經生物學家們首次實現了動物間的實時社交互動，這得益於他們研發的首款使用光激活神經元的超微型、無線、無電池、完全可植入設備。同時，這項研究也是學界首次通過光遺傳學探索動物間的社交互動。

關於作者

實際上除了美國西北大學，這一研究亦有眾多名校研究人員參與。

該論文作者主要來自：

美國高校及科研院所：西北大學、陸軍研究實驗室、陸軍化學防禦醫學研究所、華盛頓大學、科羅拉多大學博爾德分校；
中國高校及科研院所：上海交通大學機械系統與振動國家重點實驗室、清華大學（物理系、電子工程系）、西南交通大學土木工程學院、天津大學化學工程與技術學院、香港城市大學生物醫學工程系、大連理工大學工程力學系工業設備結構分析國家重點實驗室；
美國企業：馬里蘭州貝爾坎普市諮詢工程公司、伊利諾伊州埃文斯頓 Neurolux 公司；
印度科研院所：科技部中央科學儀器組織。

其中包括這樣三位科學家：

一是 Yevgenia Kozorovitskiy。