洪国松/浦侃裔Nature BME：基于近红外二区纳米传感器的深脑神经调控技术！

纳米人

2022-03-22

研究背景

作为人类最为神秘的器官，大脑运作的秘密以及其与行为之间的联系一直是一个未解之谜。神经调控技术可以让研究者选择性地激发或抑制一部分神经元，从而观察这些神经元的作用。然而，传统的电学或光遗传学的方法却需要植入电极或光纤，从而对脑组织造成损伤并束缚实验对象的行为。尽管最新生物与纳米材料的研究极大地拓展了神经调控技术的可能，但至今未能有一个光学神经调控技术能够同时消除永久大脑植入物与物理束缚。

成果简介

在这篇工作中，斯坦福大学的洪国松课题组和新加坡南洋理工大学的浦侃裔课题组报道了一种可以穿过完整头皮和头骨的近红外神经调控技术。相较于可见光，近红外二区(NIR-II window, 1000-1700 nm) 波段的电磁波在高度散射的脑组织中有较高的穿透深度，而基于此的NIR-II非侵入式大脑成像也取得了极大的成功。然而，至今还没有一项技术利用近红外二区光的组织穿透深度来在自由活动的实验对象中进行神经元调控。为此，两个课题组的研究者们设计了一种称为MINDS (Macromolecular Infrared Nanotransducers for Deep-brain Stimulation) 的高分子纳米传感器来有效地将NIR-II转化为热，再利用热来激发温敏通道蛋白TRPV1 (Transient receptor potential cation channel subfamily V member 1)。具体来说，MINDS的核心部分高分子半导体pBBTV在1064-nm的光热转换效率高达71%，而其高分子壳层PLGA-PEG提升了MINDS的水溶性与生物兼容性。实验中，位于深脑的MINDS在NIR-II的照射下能够产生瞬时局部高温，从而使得表达TRPV1的深脑神经元能够被低于安全辐射限制的NIR-II光所激发。

图1. (a) NIR-II 神经调控技术的原理示意图。(b) MINDS 结构设计图。

研究者们利用Y迷宫中的条件性位置偏爱实验来验证NIR-II神经调控技术的效用。具体来说，研究者们选择性地用包裹TRPV1的腺病毒转染了位于小鼠中脑腹侧被盖区的多巴胺神经元。这些多巴胺神经元在大脑奖赏回路中扮演者重要的作用。在实验中，研究者们仅在Y迷宫某一臂的末端进行NIR-II照射，并用特殊的内壁黑白条纹来标记这个末端。在经过三天的连续训练之后，实验组的小鼠学会了在NIR-II导致的多巴胺分泌与末端内壁黑白条纹之间建立联系，并在NIR-II照射过的末端表现出很强的位置偏爱。相比之下，缺乏TRPV1或者MINDS的其他对照组小鼠则没有表现出类似的位置偏爱。

图2. 不同实验条件下小鼠的位置偏爱分布。

相较于现有的神经调控方法，这一最新研究中的NIR-II神经调控技术有许多优势。第一，NIR-II光在生物组织中较深的穿透深度避免了电极或光纤等大脑植入物而带来的组织损伤。第二，MINDS对NIR-II优越的吸收性能与高达71%的光热转换效率使得安全辐射范围内的NIR-II神经元调控成为可能。第三，NIR-II在空气中几乎无损的传播允许科研工作者将光源置于实验对象上方任意距离，从而使实验对象免受传统方法中的头部物理束缚。

小结

总之，这篇文章报道的NIR-II神经调控技术利用纳米颗粒MINDS与NIR-II光，来实现穿过完整头皮与头骨的深脑神经元激发。作为现有光遗传学工具的一项扩展，这项研究为涉及多对象社会交互行为学实验中的神经调控提供了可能。

参考文献

https://www.nature.com/articles/s41551-022-00862-w