開放群：566811107（資料多，不僅限交流）

群一：836281296

群二：594368389 

群三：1080606488    

群四： 678357196   

我的qq： 209870384有興趣的可以加我，交流模型。

近日，圣路易斯華盛頓大學麥凱爾維工程學院（McKelvey School of Engineering at Washington University）的研究人員將近紅外激光和納米材料相結合，成功改變了大腦和心臟神經細胞的活動。

相關成果以 Reversible Photothermal Modulation of Electrical Activity of Excitable Cells using Polydopamine Nanoparticles 為題目，發表在 2021 年 7 月的《先進材料》（Advanced Material ）雜志上。

用光和納米材料控制大腦和心臟

事實上，用納米顆粒和光熱效應來改變神經細胞并不是異想天開。

早在 2018 年，日本 RIKEN 腦科學研究所的 Thomas J. McHugh、Shuo Chen 和新加坡國立大學劉小鋼團隊就曾證實，可以通過在小鼠腦部注射納米顆粒，并對其進行紅外光照射來沉默癲癇神經元，或激起小鼠的恐懼回憶。

在這項最新研究中，材料科學家 Srikanth Singamaneni 和生物醫學工程師 Barani Raman 進一步證實，將聚多巴胺（PDA）納米顆粒和近紅外光（NIR）相結合的“黑科技”，可以用來控制腦神經細胞的峰值電位和心肌細胞的搏動頻率，且操作具有可逆性。

華盛頓大學機械工程與材料科學系教授 Singamaneni 說：“我們證明可以抑制（大腦）神經元的活動，并可以通過控制激光強度分級抑制它們放電。一旦我們停止光線刺激，神經元就會完全恢復正常且不會造成任何損傷。”

圖 | 大腦神經元發電示意圖（來源：哈佛大學）

除了對培養的腦神經細胞進行研究之外，研究小組還將 PDA 納米顆粒應用于調控心肌細胞活動上。

有趣的是，光熱效應使心肌細胞興奮，而并不是像大腦神經細胞一樣抑制神經元的放電過程。這表明 PDA 納米顆粒可以根據靶向細胞的類型不同而增加或降低細胞的興奮性。

Barani Raman 說：“無論是心肌細胞還是肌肉細胞，其興奮性在一定程度上都取決于（納米顆粒的）擴散速度。雖然心肌細胞的活動有自己的規律，但用溫度控制納米顆粒和神經結合的基本原理是一樣的。”

不僅如此，PDA 納米顆粒還具有高度的生物相容性和生物降解性。也就是說，這種物質可以做到悄無聲息地消失在人體里。

Singamaneni 解釋道：“這就好比把咖啡伴侶倒入熱咖啡中，它會在擴散過程中溶解。如果能夠很好的控制溫度的話，就可以控制納米顆粒的擴散速度，進而影響神經元活動。這項研究證明，在被納米顆粒包圍的神經元附近進行光熱效應（將光轉化為熱）可以成為遠程操控特定神經元的一種方式。”

圖 | 實驗數據示意圖（來源：Advanced Material）

作者認為，和傳統的光遺傳學相比，新型納米材料可對神經細胞進行不同檔次的調控，且操作具有微創及可逆的特點。為了更高效的利用光熱效應，該團隊還設計了一種膠原/PDA納米顆粒泡沫， 用作光熱效應的“附加貼片”。

讓大腦神經元停止工作

在研究中，科學家們首先將胎鼠大腦中海馬區的神經細胞進行了體外培養。體外存活 14 天后，研究團隊向神經細胞注入了 PDA 納米顆粒，并用功率為 14 mW mm^2 的 808 納米激光對其進行照射。

實驗表明，經過高功率激光照射的神經細胞的存活率與對照組相比無明顯變化，證明光熱刺激可以在不導致細胞死亡的情況下調節神經元的活動。

接下來，研究團隊對大腦神經細胞進行了進一步光熱刺激。在進行近紅外輻射（NIR）的過程中，神經元的動作電位（action potentials）數量減少到自發活動（spontaneous activity）水平以下。在神經學中，動作電位是實現神經傳導和肌肉收縮的生理基礎，而細胞產生動作電位的能力被稱為興奮性。也就是說，在近紅外輻射的過程中，小鼠大腦神經元興奮性減弱，神經傳導減弱。

數據顯示，當激光功率密度為 3 mW mm^2 時，神經元峰值發放率（spike rate）比之前降低 39%。當激光功率密度增加到 6 mW mm^2 時，峰值發放率下降達 98%，提示在此照射條件下神經元活動幾乎完全關閉。換言之，在 PDA 納米顆粒和激光的共同作用下，體外培養的小鼠大腦神經元完全停止了工作。

圖 | 用光照改變神經元活動示意圖（來源：AAAS）

相比之下，未受到 PDA 納米顆粒處理但也接受了 808 納米激光照射的神經元活性沒有改變。為了進一步驗證實驗的效果，團隊對培養的神經細胞共進行了十次功率為 6 mW mm^2 的激光輻射，每次時長為 30s。在實驗中，神經元的活動均幾乎完全停止。

除了大腦神經細胞以外，團隊也對經過納米顆粒處理的心肌細胞進行了近紅外激光照射。實驗顯示，隨著激光功率密度從 4 mW增至 14 mW mm^2，心肌組織的搏動頻率也隨之增加，達到基線活性的 1.8 倍。而當功率調制最大值 25 mW mm^2 時，心臟細胞出現了不可逆的搏動頻率變化，產生了熱毒性。

然而，此次實驗并未止步于此。

為了提高納米顆粒與細胞對接的簡便性并實現光熱效應的空間定位，研究團隊開發了一種膠原/PDA 納米顆粒泡沫，并將其作為“附加”貼片應用于培養的神經細胞上。即使在低至 3 mW mm^2 的激光功率密度下，大腦神經元的活性也下降了 90% 以上。作者認為與無機光熱納米結構（如貴金屬納米顆粒）相比，PDA 納米結構具有高度的生物相容性和生物降解性，更適合于體內神經調節。

參考資料：

https://www.sciencedaily.com/releases/2021/07/210721102311.htm

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008809

https://science.sciencemag.org/content/359/6376/679

https://neu-reality.com/2018/08/optogenetics/

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/5/439313.shtm

https://www.nature.com/articles/465026a/mail/1/box/2