光遺傳學-具備無線充電以及智慧app操控的皮下晶片

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研究大腦神經元運作是一門深奧的科學,由於大腦有860億個神經細胞,神經網路錯綜複雜,研究上有許多困難,但近10年來光遺傳學的出現使得人類能以毫秒的準度控制特定細胞在時間與空間中的活動。對於研究特定神經元在大腦中的功能是不可或缺的技術。在2012年成功控制特定神經元活動操縱秀麗隱桿線蟲轉彎、後退,甚至沿著虛擬光梯度前行。

Sharad Ramanathan: Controlling the Mind of the Worm

光遺傳學是一種融合光學以及遺傳學的生物技術,其原理是以腺相關病毒(Adeno-associated viruses, AAV)作為載體,植入修改自細菌的感光基因,如ChR2(H134R)、ChR2(T159C)(TC)、ChR2(L132C)(CatCh)等。以開顱手術的方式以注射器灌注高濃度病毒液感染動物,腦部基因改造的部分就完成了。再來將光纖或LED探針插入頭骨深入大腦區域,上方則連結無線傳輸的控制晶片就大功告成了。如此一來就能對神經元活動進行特定目標的操縱,用以研究神經迴路以及治療腦部疾病。

光遺傳學-wiki

然而,目前的無線植入物主要基於電池供電或無電池設計,由於需要間歇性更換電池或用笨重的無線電力傳輸系統,限制了動動物體內光遺傳學的研發操作潛力。為了解決這些限制,在2021年1月自然通訊期刊(nature communications)發表了一篇可無線充電、植入式、可以使用智能手機進行遠程和選擇性控制的軟光電系統。這項設備系統結合了電池供電和無電池設計的優點,可以無縫地植入動物體內、可靠的操作和無干擾的無線充電,這些都是體內光遺傳學所需要的。該設備在自由行為大鼠中成功展示著其在各種神經科學研究和臨床應用中的廣泛而實用的用途。

圖1. 光遺傳學無線充電晶片在大鼠上的模型。

圖2. 用於體內光遺傳學的完全可植入、無線可充電、軟光電系統的設計和工作原理。

a. 具有雙邊探針的軟無線光電系統的分解圖示意圖,由微型無機發光二極管 (μ-ILED)、電源管理電路、射頻 (RF) 線圈天線、電池和藍牙低功耗系統組成片上(BLE SoC)。

b. 整個功率調節系統的電路圖,由無線功率發射器和無線可充電光電系統(即無線接收器)組成。

c. 用手指握住的無線光電系統的光學圖像。插圖顯示該設備小於四分之一美元。

d. 無線光電探針系統皮下植入囓齒動物頭部的概念圖,用於控制大腦深處的神經迴路。插圖突出了設備與大鼠大腦的共形集成。

e. 植入無線光電系統的大鼠的 X 射線圖像。

f. 兩種不同場景下無線光電系統的工作原理。無線植入物可以在 (i) 配備閉環射頻自動充電系統的籠子中運行,用於長期體內研究,或 (ii) 使用集成電池,無需特殊射頻功率發射器的任何傳統實驗裝置。在所有情況下,定制設計的智能手機應用程序允許用戶友好地控制無線植入物。

圖5

圖3. 完全植入式無線可充電光電系統的概念驗證演示,用於在人腦中進行潛在操作。

a. 顯示無線操作和系統充電的概念圖,用於人腦應用。將無線系統植入大腦的人可以通過簡單的智能手機操作(左)來操作它,並通過發射線圈的無線充電頭盔(右)為電池充電。

b. 該系統的光學圖像和電氣特性,植入由幻影頭骨和大腦(充滿 0.9% 鹽水的氣球)構建的模型人頭中,用於兩種不同的操作場景:

①日常使用 LED 操作和②無線充電。為了模擬日常使用(左),重複一組 μ-ILED 操作(10 和 20 Hz,10 ms 脈衝寬度;~20 分鐘)和休息(~30 分鐘),直到電池幾乎完全放電(電池電量剩餘 10%)。

該設備通過使用定制設計的無線充電頭盔傳輸射頻功率(6、8 和 10 W)成功充電(15 分鐘內充電 70% 以上)。

c , d. 人體頭部比吸收率 (SAR) 的模擬圖示。

該設備通過使用定制設計的無線充電頭盔傳輸射頻功率(6、8 和 10 W)成功充電(15 分鐘內充電 70% 以上)。

d 紅外線圖像。無線充電頭盔產生的足夠低的 SAR 和可忽略不計的熱量證明了生物安全特性。

結論:

這項技術將有助於在不久的將來實現光遺傳學在人類醫學中的應用,從而實現對阿爾茨海默氏症和帕金森氏症等神經退行性疾​​病的高精度靶向治療。

與傳統的植入式設備不同,大多數植入式設備在幾年後需要通過外科手術來更換耗盡的電池,為植入式設備使用無線充電可以消除需要反覆手術的壓力。因此,這項技術可以為深部腦刺激器、心臟起搏器和胃起搏器在內的各種植入式設備帶來有益的影響。同樣,使用現成的智能手機功能強大的客製軟體將極大地促進治療。

本篇文章介紹的設備設計代表了具有直接可擴展性的通用植入式設備平台。在這個完全可植入的平台中設計藥物輸送和電生理記錄等先進功能將進一步增強其多功能性和實用性,為體內神經科學和臨床應用開拓更多契機。

Soft subdermal implant capable of wireless battery charging and programmable controls for applications in optogenetics

參考文獻

Kim, C. Y., Ku, M. J., Qazi, R., Nam, H. J., Park, J. W., Nam, K. S., … & Jeong, J. W. (2021). Soft subdermal implant capable of wireless battery charging and programmable controls for applications in optogenetics. Nature communications, 12(1), 1-13.

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