探索宇宙奧秘 · 理性思考

想象一下，不需要電極插入大腦，只需一束光就能讓猴子"看見"不存在的圖像。這不是科幻場景，而是剛剛發(fā)生在中科院實(shí)驗(yàn)室里的真實(shí)突破。

光遺傳學(xué)自2005年誕生以來，一直是神經(jīng)科學(xué)的神器?？茖W(xué)家通過病毒將光敏蛋白基因?qū)肷窠?jīng)元，再用特定波長光照激活或抑制這些細(xì)胞，從而精確控制神經(jīng)活動(dòng)。

但這項(xiàng)技術(shù)長期困于小鼠等嚙齒類動(dòng)物。靈長類大腦體積是小鼠的百倍，皮層厚度差異巨大，光穿透深度和均勻性成為噩夢。更棘手的是，靈長類實(shí)驗(yàn)周期長，需要刺激效果維持?jǐn)?shù)月甚至數(shù)年。

此前國際上的靈長類光遺傳研究大多驗(yàn)證短期可行性。如何在大體積腦區(qū)實(shí)現(xiàn)均勻基因表達(dá)，如何確保光刺激長期穩(wěn)定，如何提升空間分辨率，這三座大山阻擋了技術(shù)向臨床轉(zhuǎn)化。

針對大體積難題，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了陣列式病毒注射流程。他們在獼猴大腦皮層大面積均勻遞送光敏感通道蛋白，解決了靈長類腦區(qū)的基因表達(dá)難題。

團(tuán)隊(duì)測試了多種光敏蛋白，最終選定超敏感的ChRger2.0。這種蛋白對光反應(yīng)極其靈敏，意味著可以用更低的光強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)激活，顯著減少光毒性和熱損傷風(fēng)險(xiǎn)。

最精彩的部分是硬件創(chuàng)新。研究者采用百萬像素microLED面板，配合透明玻璃窗口，建立起介觀尺度的光刺激系統(tǒng)。這相當(dāng)于給猴腦裝上了高分辨率"光控開關(guān)"。

這套系統(tǒng)在厘米級窗口內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高密度光刺激，通道數(shù)量較傳統(tǒng)方法提升數(shù)個(gè)數(shù)量級。更重要的是，刺激精度達(dá)到視網(wǎng)膜拓?fù)溆成浼墑e，即光照位置與猴子"看見"的位置精確對應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，團(tuán)隊(duì)在獼猴初級視覺皮層誘發(fā)光幻視，且效果穩(wěn)定維持超過一年。這是光遺傳技術(shù)向臨床轉(zhuǎn)化最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，證明長期植入的安全性和有效性。

這種穩(wěn)定性來之不易。靈長類動(dòng)物的免疫反應(yīng)比小鼠強(qiáng)烈得多，病毒載體和光敏蛋白容易被清除。研究團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化蛋白表達(dá)和免疫抑制方案，突破了長期穩(wěn)定性的技術(shù)瓶頸。

高分辨率同樣關(guān)鍵。傳統(tǒng)光纖刺激只能點(diǎn)對點(diǎn)控制，而百萬像素microLED實(shí)現(xiàn)了真正意義上的"圖案刺激"。這意味著未來可能通過光信號向大腦傳輸復(fù)雜視覺信息，而不僅僅是簡單的開或關(guān)。

該技術(shù)為治療神經(jīng)退行性疾病提供了全新路徑。失明患者可通過光刺激視覺皮層恢復(fù)視力，抑郁癥患者可通過調(diào)控特定神經(jīng)環(huán)路緩解癥狀，且無需在大腦永久植入電極。

回顧光遺傳學(xué)發(fā)展史，2005年斯坦福大學(xué)的卡爾·戴瑟羅斯首次用光控制神經(jīng)元，2010年后逐步應(yīng)用于行為學(xué)研究。但靈長類研究直到2010年代中期才起步，且長期受限于刺激范圍和持續(xù)時(shí)間。

2016年，MIT團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)靈長類光遺傳學(xué)控制，但主要驗(yàn)證可行性。此后全球多個(gè)團(tuán)隊(duì)，包括中科院、哈佛、斯坦福等，開始競相攻克長期穩(wěn)定性和高分辨率刺激難關(guān)。

此次突破標(biāo)志著中國在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從跟跑到并跑。研究團(tuán)隊(duì)不僅解決了長期穩(wěn)定性難題，更在刺激分辨率和通量上建立新標(biāo)準(zhǔn)，為光學(xué)腦機(jī)接口奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

放眼國際，腦機(jī)接口正從電極向光學(xué)邁進(jìn)。馬斯克Neuralink采用的電極式方案存在生物相容性挑戰(zhàn)，而光遺傳學(xué)提供非侵入性調(diào)控可能。中國在光學(xué)腦機(jī)接口賽道已占據(jù)有利位置。

值得關(guān)注的是，中國腦科學(xué)團(tuán)隊(duì)在光敏蛋白改造、光纖記錄、顯微成像等配套技術(shù)上同樣進(jìn)展迅速。北京、上海、深圳多地實(shí)驗(yàn)室形成協(xié)同創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，上下游產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善。

當(dāng)然，從獼猴到人還有漫長距離。人類大腦皮層褶皺復(fù)雜，倫理審查嚴(yán)格，光敏蛋白的長期安全性仍需驗(yàn)證。但這項(xiàng)技術(shù)為治療失明、帕金森病、抑郁癥等提供了全新工具。

當(dāng)一束光能精確喚醒特定記憶或消除病理性神經(jīng)活動(dòng)，人類對大腦的理解將進(jìn)入新維度。中國科學(xué)家點(diǎn)亮的光，不僅照亮了獼猴的視覺皮層，也照亮了腦科學(xué)臨床應(yīng)用的前路。

本研究在線發(fā)表于《神經(jīng)元》（Neuron）期刊。研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院等支持。