用光束构建社交键:植入无线设备触发小鼠以形成即时债券

植入式光遗传学设备

完全可植入的无线装置可以在不系绳的动物身上进行动态可编程操作的个体发育研究。信贷:西北大学

基于opherogeSetics的群体内的无限社会互动研究。

西北大学研究人员正在用光束建立社会关系。

有史以来第一次,西北工程师和神经生物学家都无线编程 - 然后将小鼠实时彼此互相互动。促进介绍,归功于一流的超敏,无线,无线电池和完全植入的设备,它使用光激活神经元。

本研究是第一个Optogensetics(一种用于控制神经元的方法)探索动物组内的社会互动,其先前不可能与当前的技术。

该研究将于5月10日发表在该杂志上自然神经科学

植入物的薄,灵活,无线性质使小鼠正常看起来正常并且在现实环境中正常行为,使研究人员能够在自然条件下观察它们。以前使用光学机构所需的纤维电线的研究,这些电线限制了鼠标运动,并导致它们在社交交互或复杂环境中变得纠缠在一起。


视频显示了老鼠在同步和不同步时的社交偏好。信贷:西北大学

“在以前的技术下,我们无法观察多种动物在复杂环境下的社会互动,因为它们是被拴在一起的,”设计这个实验的西北大学神经生物学家Yevgenia Kozorovitskiy说。“纤维会断裂,动物会缠在一起。为了研究动物在现实环境中的行为,我们需要这种创新的无线技术。摆脱束缚的感觉非常棒。”

“This paper represents the first time we’ve been able to achieve wireless, battery-free implants for optogenetics with full, independent digital control over multiple devices simultaneously in a given environment,” said Northwestern bioelectronics pioneer John A. Rogers, who led the technology development. “Brain activity in an isolated animal is interesting, but going beyond research on individuals to studies of complex, socially interacting groups is one of the most important and exciting frontiers in neuroscience. We now have the technology to investigate how bonds form and break between individuals in these groups and to examine how social hierarchies arise from these interactions.”

Kozorovitskiy是西北魏伯格艺术和科学学院的神经生物学分子生物学和神经生物学副教授的索雷塔和亨利·茶草教授。yabo124她也是生命过程中的成员。yabovip2021Rogers是Louis Simpson和Kimberly Querrey Materical Sciantical Scients,生物医学工程和神经系统手术教授,在麦卡尔克西北大学医学院和西北大学医学院和查询辛普森生物电子学院主任。

Kozorovitskiy和Rogers带领Yonggang Huang,Jan和Marcia Achenbach在McCormick的机械工程教授,以及大连理工大学工程力学教授Zhaoqian Xii。本文的首先作者是义源杨,明正吴和亚伯拉罕Vázquez-guardado - 都在西北部。

光遗传学的前景与问题

因为人类的大脑是一个由近1000亿个交织在一起的神经元组成的系统,所以要探测单个甚至是一组神经元是极其困难的。在2005年左右引入的动物模型中,光遗传学提供了对特定的、以基因为目标的神经元的控制,以便以前所未有的细节来研究它们的连通性或神经递质释放。研究人员首先对活老鼠的神经元进行修饰,以表达一种来自光敏藻类的修饰基因。然后他们就可以利用外部光线来控制和监测大脑活动。由于涉及到基因工程,该方法尚未被批准用于人类。

“这听起来像科幻小说,但这是一种非常有用的技术,”科佐罗维茨基说。“光遗传学不久将被用于治疗失明或逆转瘫痪。”

然而,以前的光源研究受到可用技术的限制以提供光线。虽然研究人员可以轻易地探测一只动物,但同时在社会间的动物组内同时控制柔性图案中的神经活动是挑战性的。纤维导线通常从动物的头部出现,连接到外部光源。然后,软件程序可用于关闭和打开灯,同时监测动物的行为。

“当他们四处走动时,狂热的纤维以不同的方式拖延,”罗杰斯说。“如预期的那样,这些效果改变了动物的运动模式。一个,因此,必须想知道:你实际上要学习什么行为?您是否研究了与身体限制相关的自然行为或行为?“

无线控制实时

作为无线可穿戴技术领域的世界知名领导者,罗杰斯和他的团队开发了一种微型无线设备,它可以轻轻地放在小动物颅骨的外表面,但却在皮肤和皮毛之下。这个半毫米厚的设备连接着一个尖端带有led的细而灵活的丝状探针,它通过一个微小的颅骨缺陷向下延伸到大脑中。

这种微型设备利用了近场通信协议,与智能手机中用于电子支付的技术相同。研究人员通过电脑上的用户界面对光线进行实时无线操作。围绕在动物周围的天线将能量传送到无线设备,从而消除了对笨重电池的需求。

激活社会关系

为了建立罗杰斯技术原则证明,Kozorovitskiy及其同事设计了一个实验,探讨了对或小鼠群体中的遥控社交交互的视神经理方法。

当小鼠在封闭环境中彼此彼此靠近时,Kozorovitskiy的团队在与更高阶执行功能相关的大脑地区无线上同步激活一组神经元,导致他们增加社交互动的频率和持续时间。去同步刺激迅速下降相同对小鼠的社交交互。在一个群组环境中,研究人员可以偏离任意选择的对以与其他人相互作用。

科佐罗维茨基说:“我们实际上并不认为这能奏效。”“据我们所知,这是对一个长期存在的关于社会行为中神经同步的主要假说的第一次直接评估。”

参考文献:“无线多边光遗传学中的实时控制用于广泛的神经科学应用”2021年5月10日,自然神经科学
DOI: 10.1038 / s41593 - 021 - 00849 - x

该研究得到了国家科学基金会,国家卫生研究院和几个基金会的支持。

第一个发表评论“建立光束的社会债券:植入无线设备触发小鼠以形成即时键”

留下你的评论

电子邮件地址是可选的。如果提供的话,您的电子邮件不会发布或共享。