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材料学家转行做生物科学依然6:田博之讲述光控脑信号背后的故事

Nature自然科研 2018-08-10 09:28:41 阅读:

材料学家田博之为我们揭开光控神经刺激纳米装置背后的故事。

2007年,材料科学家田博之研发出了硅纳米线太阳能电池。田博之目前任教于芝加哥大学,他已表明可以通过类似的纳米装置,利用光控制脑信号。

材料学家转行做生物科学依然6:田博之讲述光控脑信号背后的故事

来源:Jean Lachat/芝加哥大学

1、请介绍一下你们团队最新的研究成果。

我们的研究证实,通过将一种纳米硅网置于负责将小鼠神经冲动转化为动作的脑区之上,再用光照射纳米硅网,就可以刺激小鼠行为。例如,向小鼠的右脑照射一束光可以控制小鼠的左前肢。

2、为何说这项成果具有变革性意义?

在此之前,只有两种主流的神经刺激方法。第一种通过植入电极产生神经活动。第二种被称为光遗传学,需要对细胞进行遗传修饰,使之可以通过光控制,但是遗传修饰难度大,并且存在伦理问题。我们的方法是运用一种非遗传神经刺激装置,利用光就可以远距离刺激神经。它对治疗疼痛及其它疾病具有重要意义。

3、它是否为你的研究指出了一个新方向?

是的,我们正计划开展非人类的灵长类动物研究,比如探索如何在瘫痪后恢复抓取能力。

4、该装置是否具有临床应用的潜力?

如果我们把硅网置于大脑表面,就能诱导一些脑部的深层活动。如果可以刺激大脑,就能够治疗特定神经疾病,或帮助病人恢复一定的身体控制力。因此,这个装置或许能用于治疗帕金森病或抑郁症等疾病。

5、请描述一下某个具有突破性意义的时刻。

我的研究生Ramya Parameswaran已经证明了如何用硅纳米线刺激单细胞。一些催化硅纳米线生长的金变成单个金原子,覆盖在纳米线表面。一旦去除金原子后,一些神经元也无法被激活。后来,我们发现金强化了硅的电化学特性,使之成为更有效的神经刺激器。

6、你将研究方向从能源转为神经刺激。这中间发生了什么?

2004年,我离开中国去哈佛读博,研究单纳米线在太阳能光伏中的应用。我们证明了硅纳米线可以将阳光转化为电能,就和常规太阳能电池一样。同时,它们的体积足够小,可以集成进纳米装置中。在这项研究成果发表之后,我决定从能源完全转向电生理学和生物科学方面的研究。

7、为什么你想改变研究方向?

生物学可以带来无尽的探索机会和探索空间,尤其是在结合纳米线和神经科学方面潜力无穷。我喜欢探索未知,在博士的后阶段,我开始致力于研发一种小到可以进入单细胞记录电活动的晶体管。

8、谈谈转变的过程?

挺艰难的。我之前没有任何关于细胞培养、电生理学或处理动物组织的经验。我报名了一门神经科学课程,在课上学到了大部分知识。即便这样,挫折还是在所难免。比如,我的细胞培养物总是受到污染,但我对自己说,只要坚持下去,转机就会出现。

9、你是如何找到合作者的?

刚到芝大时,有些生物学家向我表露出合作意向,有些则没有。有一次,我在给生物物理学专业的学生讲课时,生物化学家Ana Correa(也是分子生物学家Francisco Bezanilla的妻子)也来听了,后来还介绍我和她丈夫认识。从那以后,Bezanilla和我就一起合作申请基金、写论文。有时候,你只是需要在对的时间碰上对的人。

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