脑科学|控制大脑的黑科技，是进步还是伦理挑战？( 二 )
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图 | 实验数据示意图（来源：Advanced Material）
作者认为 ， 和传统的光遗传学相比 ， 新型纳米材料可对神经细胞进行不同档次的调控 ， 且操作具有微创及可逆的特点 。为了更高效的利用光热效应 ， 该团队还设计了一种胶原/PDA纳米颗粒泡沫 ， 用作光热效应的“附加贴片” 。
让大脑神经元停止工作在研究中 ， 科学家们首先将胎鼠大脑中海马区的神经细胞进行了体外培养 。体外存活 14 天后 ， 研究团队向神经细胞注入了 PDA 纳米颗粒 ， 并用功率为 14 mW mm^2 的 808 纳米激光对其进行照射 。
实验表明 ， 经过高功率激光照射的神经细胞的存活率与对照组相比无明显变化 ， 证明光热刺激可以在不导致细胞死亡的情况下调节神经元的活动 。
接下来 ， 研究团队对大脑神经细胞进行了进一步光热刺激 。在进行近红外辐射（NIR）的过程中 ， 神经元的动作电位（action potentials）数量减少到自发活动（spontaneous activity）水平以下 。在神经学中 ， 动作电位是实现神经传导和肌肉收缩的生理基础 ， 而细胞产生动作电位的能力被称为兴奋性 。也就是说 ， 在近红外辐射的过程中 ， 小鼠大脑神经元兴奋性减弱 ， 神经传导减弱 。
数据显示 ， 当激光功率密度为 3 mW mm^2 时 ， 神经元峰值发放率（spike rate）比之前降低 39% 。当激光功率密度增加到 6 mW mm^2 时 ， 峰值发放率下降达 98% ， 提示在此照射条件下神经元活动几乎完全关闭 。换言之 ， 在 PDA 纳米颗粒和激光的共同作用下 ， 体外培养的小鼠大脑神经元完全停止了工作 。
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图 | 用光照改变神经元活动示意图（来源：AAAS）
相比之下 ， 未受到 PDA 纳米颗粒处理但也接受了 808 纳米激光照射的神经元活性没有改变 。为了进一步验证实验的效果 ， 团队对培养的神经细胞共进行了十次功率为 6 mW mm^2 的激光辐射 ， 每次时长为 30s 。在实验中 ， 神经元的活动均几乎完全停止 。
除了大脑神经细胞以外 ， 团队也对经过纳米颗粒处理的心肌细胞进行了近红外激光照射 。实验显示 ， 随着激光功率密度从 4 mW增至 14 mW mm^2 ， 心肌组织的搏动频率也随之增加 ， 达到基线活性的 1.8 倍 。而当功率调制最大值 25 mW mm^2 时 ， 心脏细胞出现了不可逆的搏动频率变化 ， 产生了热毒性 。
然而 ， 此次实验并未止步于此 。
为了提高纳米颗粒与细胞对接的简便性并实现光热效应的空间定位 ， 研究团队开发了一种胶原/PDA 纳米颗粒泡沫 ， 并将其作为“附加”贴片应用于培养的神经细胞上 。即使在低至 3 mW mm^2 的激光功率密度下 ， 大脑神经元的活性也下降了 90% 以上 。作者认为与无机光热纳米结构（如贵金属纳米颗粒）相比 ， PDA 纳米结构具有高度的生物相容性和生物降解性 ， 更适合于体内神经调节 。
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