陈根：光遗传学，实现对大脑的操控

文/陈根

1976年，加州大学洛杉矶分校的雅克·维 达尔（Jacques J. Vidal）提出了脑机接口技术。简单来说，脑机接口技术就是在大脑和外部机器之间构建接口和互联通路，以实现信息的直接交换。脑机接口作为前沿科技研究的热点技术，一直颇受业界关注。

事实上，这样的技术早在1999年的经典科幻电影《黑客帝国》中就已经出现。通过在脑后插入一根线缆，人们就能够畅游计算机世界；只需一个意念人们就能改变“现实”；学习知识不再需要通过书本、视频等媒介，也不需要再花费大量时间，只需直接将知识传输到大脑当中即可。

落回到技术层面，目前的“脑机接口”主要分为植入式和非植入式两大类。植入式和非植入式两种方式都各有优劣，植入式更精确，可以编码更复杂的命令，比如三维运动，但手术创伤不可避免；非植入式电极这种头皮贴片虽然方便，无需开颅植入，但是能探测到的脑电信号范围和精确度有限。

而现在，一种新的技术，既无需植入设备，也无需贴片式的非植入设备，就可以实现对大脑的操控。这项技术来自斯坦福大学，研究人员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。

而其原理，就是所谓的“光遗传学”，，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。

不过，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。而在最新的这项研究中，研究人员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。

同时，研究人员通过生物体内一种叫做TRPV1的蛋白质——这是一种辣椒素（产生灼烧和痛感的东西）受体，也就是一种会对热和疼痛产生反应的离子通道蛋白，也就是对热以及疼痛非常敏感。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，这赋予了小鼠在红外光谱中的视觉能力。此外，研究人员还设计了一种“传感器”分子，叫做MINDS，专门用来吸收和放大红外光。

基于此，研究人员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。结果发现，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。而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，这或许于将被更多用于疾病、如阿尔兹海默症的治疗中，但这也为脑机接口的突破提供了现实的想像。

关键词： 研究人员 接口技术 两种方式 植入式电极 光线照射