神经工程师用多种颜色的光使脑细胞沉默

(PhysOrg.com)——麻省理工学院的神经科学家开发了一种强大的新型工具，可以使用不同颜色的光可逆地关闭大脑活动。当针对特定的神经元时，这些工具可能会导致与慢性疼痛、癫痫、脑损伤和帕金森病等疾病相关的异常大脑活动的新治疗方法。

这些工具的工作原理是，这种疾病最好的治疗方法是沉默，而不是刺激，大脑的活动．这些“超级消声器”对过度活跃的神经回路的关闭时间施加了精确的控制——这是现有药物或其他传统疗法无法达到的效果。

这项研究的资深作者Ed Boyden解释说:“用不同颜色的光使不同的神经元组沉默，让我们了解它们是如何共同工作来实现大脑功能的。”这项研究将发表在1月7日的《美国医学杂志》上自然．“使用这些新工具，我们可以观察两条神经通路，并研究它们是如何一起计算的。这些工具将帮助我们了解如何控制神经回路，从而对疾病有新的理解和治疗脑部疾病——世界上最大的一些未满足的医疗需求。”博伊登是麻省理工学院媒体实验室的Benesse职业发展教授，也是麻省理工学院麦戈文大脑研究所的副成员。

博伊登的超级消声器是由在细菌和真菌等不同自然生物中发现的两种基因开发而来的。这些基因被称为Arch和Mac，编码光激活蛋白，帮助生物体产生能量。当神经元被改造成表达Arch和Mac时，研究人员可以通过照射它们来抑制它们的活动。光会激活这些蛋白质，从而降低神经元中的电压，安全有效地防止它们放电。通过这种方式，光可以沐浴整个大脑，并选择性地只影响那些对特定颜色的光敏感的神经元。表达Arch的神经元被黄光抑制，而表达Mac的神经元被蓝光抑制。

博伊登实验室的博士后助理、合著者布莱恩·周解释说:“通过这种方式，大脑可以被编程为不同颜色的光，以识别并可能纠正导致疾病的损坏的神经计算。”

2005年，博伊登与斯坦福大学和马克斯·普朗克研究所的研究人员合作，首次引入了这种“光遗传学”技术，之所以被称为“光遗传学”，是因为它将光学技术与基因传递结合起来。2005年的工具，现在被广泛使用，包括一个光激活离子通道，ChR2，它允许光选择性地打开大脑中的神经元。

两年后，Boyden证明了另一种光敏蛋白halorho紫红质在光照下可以抑制神经元的活动。博伊登说:“但世界基因组的多样性表明，更强大的工具还在那里等待着被发现。”因此，他的小组筛选了一组不同的微生物光敏蛋白，并发现了新的多色消声器。新发现的工具比旧的好得多。与表达盐菌紫质的神经元相比，表达arch的神经元被更精确地关闭，并且恢复得更快，这使得研究人员可以用不同颜色的光来操纵不同的神经元。

博伊登实验室的博士后研究员、合著者薛寒说:“多色静音极大地增加了研究神经回路的复杂性。”“我们将使用这些工具来解析认知的神经机制。”

麻省理工学院的研究人员将Arch和Mac基因加载到病毒中，然后将它们的基因货物插入到小鼠神经元中。连接激光器的光纤在上面闪烁着光神经元，电极测量由此产生的神经活动。

博伊登的团队最近在猴子身上证明了ChR2的功效，而且没有明显的副作用。确定Arch和Mac在猴子身上是否安全有效，将是将这些光学静音工具潜在应用于人类的关键下一步。博伊登计划使用这些超级消声器来检查认知和情感的神经回路，并在大脑中找到关闭后可以缓解疼痛和治疗癫痫的目标。他的团队继续在自然界中挖掘新的、更强大的工具来操纵脑细胞活动——他希望这些工具能让科学家以前所未有的方式探索神经回路。

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