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中美科学家合作发表最新可应用于个体和群体行为学实验的无线光遗传电子器件 精选

已有 1669 次阅读 2021-5-11 08:46 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流


北京时间2021年5月10日晚23时,Nature Neuroscience在线发表了美国西北大学关于可植入型无线光遗传电子器件的研发成果,阐明了其广泛应用于光遗传动物个体和群体行为学实验的前景。


美国西北大学材料工程系及生物医学系John A. Rogers教授、神经生物系Yevgenia Kozorovitskiy教授、机械工程系及土木环境工程系黄永刚教授和大连理工大学工程力学系解兆谦教授为该论文共同通讯作者。博士生杨翌元武名政、博士后Abraham Vázquez-Guardado为该论文共同第一作者。



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在神经科学研究中,光遗传学方法被广泛应用于动物行为学实验以探索细胞活动和动物行为之间的关联。然而传统的有线光纤设备植入后会大幅度降低动物的机动性,并影响它们的自然行为,从而阻碍动物光遗传行为学实验在神经科学研究中的广泛应用。

        

该论文作者采用电感耦合方式给可植入器件提供持续性电源,并结合近场通讯和微型处理器技术来提供光刺激参数(包括强度,频率,工作周期和工作模式)的实时控制。于此同时,作者采用力学优化的可延展柔性电子技术极大程度的降低了植入对动物的创伤并保证器件植入后的长期稳定工作。


另外,该论文提出两种器件设计分别为头部植入器件和背部植入器件,前者更加方便于手术植入,后者将电子元件与探针分离来获取更大的植入空间并实现更高效的电能采集以及电子功能的升级。

 

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(上)

 

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(中)


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(下)

动物光遗传行为学实验示意图。实验采用环绕笼子的传输线圈和器件中的接收线圈之间的电感耦合提供电源(上)。器件分别采用头部植入设计(中)和背部植入设计(下)。

        

该论文提供了详细的关于光强度在脑组织中传播的有限元分析结果。该结果可以给予实验人员关于细胞激活状态和数量的准确评估。同时,该论文通过器件封装层结构设计和相应光刺激的有限元分析,有效减低了脑组织与器件的界面温度,避免了实验中组织过热所导致的细胞活动变化。


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小鼠社交偏好实验。左边为小鼠正在进行mPFC同步化神经活动所引发的社交偏好。右边为统计学结果。


最后,该论文成功在群体层面操控小鼠个体间的同步化和去同步化神经活动,证明了内侧前额叶皮质(mPFC)的脑间同步化神经活动并引起社交偏好。这项工作解决了之前无线光遗传领域在实时个体化控制功能方面的欠缺,展示了新一代无线光遗传器件在行为神经科学中广泛的应用前景。

 

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41593-021-00849-x





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2 黄永义 范会勇

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