近日，来自美国西北大学的黄永刚教授、Kozorovitskiy教授、Rogers教授以及大连理工大学的解兆谦教授合作，成功开发出首个超微型、无线、无电池且完全可植入的光遗传控制设备，并在小鼠体内成功实现无线光遗传控制，让一对陌生的小鼠快速成为了“好兄弟”。
相关研究以“Wireless multilateral devices for optogenetic studies of individual and social behaviors”为题，发表在最新一期的Nature Neuroscience杂志上。美国西北大学黄永刚教授、Kozorovitskiy教授、Rogers教授以及大连理工大学解兆谦教授为本文通讯作者。
对此，Kozorovitskiy教授表示，“以前的光遗传学技术无法观察多只动物在复杂环境中的社交互动。因为此前的光遗传学控制需要用到光纤，而在复杂环境中，光纤容易被折断或将动物缠绕住。显然，我们开发的无线光遗传调控装置更适合在复杂环境中研究动物的行为。”光遗传学是一项整合了光学、软件控制、基因操作技术、电生理等多学科交叉的技术。
光遗传学的基本原理在于，首先运用工具病毒载体，将光感基因（如ChR2，eBR，NpHR3.0，Arch或OptoXR等）转入到神经系统特定类型的细胞中进行特殊离子通道或GPCR的表达。光感离子通道在不同波长的光照刺激下会分别对阳离子或者阴离子的通过产生选择性，如Cl-、Na+、H+、K+，从而造成细胞膜两边的膜电位发生变化，达到对细胞选择性地兴奋或者抑制的目的。
相比起传统的研究方法，光遗传学有着无可比拟的优点。它只需要向细胞内转入一个蛋白，实际操作性高；以光作为刺激媒介，可实现神经细胞的毫秒级操控；利用光遗传技术观察神经投射；通过组织特异性启动子实现特定细胞的调控；对实验动物的创伤远远小于传统方法，且没有异物侵入组织；可以用定位的光纤来局部刺激细胞，也可以设计弥散光大范围刺激脑区。
为了解决传统光纤的束缚，研究人员尝试开发了一种微小的无线光调控设备，该设备可以轻轻地放在动物头骨表面，通过LED柔性细丝探针延伸至大脑内部，控制神经元活动。这一微型设备利用近场通信协议，类似于手机的电子支付技术，使得研究人员可以通过计算机实时控制LED灯的活动。此外，这一无线设备利用实验场地周边的线圈为设备进行无线供电，无需笨重的电池，也可以长期使用。
为了验证这一技术的实用性，研究人员设计了一个实验来探索光遗传调控下的小鼠社交互动。在封闭环境中，当两只小鼠彼此靠近时，研究人员通过无线光遗传调控设备激活这两只小鼠大脑中的高阶执行功能相关神经元。结果发现，相比于其他小鼠，这两只小鼠迅速化身“好兄弟”，开始频繁、长时间的互动和交流。而一旦失去刺激，这两只小鼠又会迅速降低社交和互动的频率，变得“冷淡”。
对此，Rogers教授表示，“本研究首次在特定环境中同时对多个光遗传调控设备进行完全独立的数字控制，实现了光遗传学的无线控制。这一技术的成功对于社群动物的脑活动研究非常重要，这也是目前神经科学领域最有趣、最前沿、最令人兴奋的方向之一。”总的来说，这一研究，首次证明了无线光遗传调控装置的可行性，并首次在社群动物中实现社交行为调控，为未来社群动物脑活动研究奠定了基础。