近日，布朗大学的研究人员研制出一种新型的光电植入设备，用以连通大脑微电路，使科学家能够使用光脉冲来控制大脑细胞的活动。该研究结果被发表在《自然》上，该方法利用微探针可以在微尺度上刺激大脑皮层的多个特定模式的目标神经元，并在毫秒精度上记录感兴趣的潜在神经微电路。

Joonhee Lee是布朗大学工程学院ArtoNurmikko实验室的高级研究助理教授，同时也是新论文的主要作者之一。他说:“我们认为这是一个窗口开启模式。根据特定的空间模式，该研究可以迅速扰乱神经回路，同时重建有关的电路，在我们看来是一项巨大的进步。”

2005年左右，光遗传学丰富了神经科学家对大脑功能的理解力，科学家进行了包括基因工程神经元传递光敏蛋白质膜在内的各种研究。利用蛋白质的传递，脉冲光可以用来促进或抑制这些特定的细胞的活动。理论上可以为研究人员提供前所未有的在特定的时间特定的脑细胞的能力。

但直到现在，同时迅速刺激和记录多个感兴趣点的脑内微电路的大脑活动是十分困难的。这需要一种装置，该装置既能产生光脉冲的空间区域，也能以动态模式检测兴奋细胞的活动所产生的影响。以前科学家曾试图将发光和电子传感独立组件组装起来制备该装置。但这种探测器身体笨重，不适合插入人的大脑。由于发射器和传感器相隔数百微米，这是一段相当远的距离，刺激和记录信号之间的联系也是模棱两可的。

这种新型的紧凑集成设备是由Nurmikko实验室开发的，该设备的独特之处在于其材料为宽禁带半导体氧化锌。该材料是光学透明的，可以随时通电。

Lee说：“很少有材料可以有这样匹配的物理性质，可以同时用于刺激和检测。”

JoonheeLee和韩国首尔国立大学的助理研究教授IlkerOzden和Yoon-Kyu Song一起，联合开发了一种新型精密加工方法，在Nurmikko实验室制备的单片芯片仅几平方毫米，上面布满16微米大小的电极，每个电极都有能力实现光脉冲和感应电流。该电极可以探测设备上许多神经元的神经微电路，而不是单个神经元的微电路。

该项研究的关键在于在空间和时间尺度上刺激和记录神经元微电路。大脑的功能是由神经回路形成的，而不是单个神经元的作用。

“举个例子，当我移动我的手时，是行动由大脑中特定的神经网络支配的结果。我们的新设备被科学家和工程师作为一种工具，为研究光遗传学提供了条件，该设备可以作为一种神经刺激，同时提供多个空间的高空间精度和时间精度的摄动网络活动。”

Ozden 领导了该设备的初始测试实验，测试实验的对象是啮齿动物模型。研究人员观察了程度不同的光强度可以刺激网络活动。测试结果表明，提高光功率可以导致不同的神经回路，从而检测连通的特定目标网络。

Ozden 说: “我们将光功率的范围扩大到三个数量级以上，并得到了一系列神经网络相关反应，现在我们可以复制一种在大脑中自然产生的活动模式。这开启了光遗传学运作神经网络的新起点，鼓励我们继续扩展关于该设备的应用技术研究。”

Nurmikko实验室和Song实验室一起，计划继续在首尔进行该设备的进一步研究，最终实现该设备的无线化连接。下一步，他们预计新设备将作为慢性植入技术在数以百计的非人类灵长类动物得以应用，并影响未来全球光遗传学的研究进展，为人类做出贡献。

Nurmikko说：“至少，最初的构想源自于我们的研究。”

这项工作由美国国防高级研究计划局REPAIR项目(n66001 - 10 - c - 2010)和美国国家科学基金会(CBET- 1402803和CBET- 1264816)支持。

新材料在线编译整理——翻译：陈琼    校正：摩天轮