在大脑上闪耀着治愈之光：关键性发现可以治疗癫痫，帕金森氏症，抑郁症和慢性疼痛

艺术家的渲染图显示，X射线撞击了大脑中的放射性纳米颗粒，该纳米颗粒发出的红光触发钠（Na +）和钾（K +）离子流入，从而激活大脑神经元。

科学家关键性地发现了用X射线对神经元进行无线调制的方法，该方法可以改善脑部疾病患者的生活。X射线源只需要一台在牙医办公室里找到的机器即可。

全球许多人患有与运动有关的脑部疾病。癫痫病患者超过5000万；震颤4000万；和帕金森氏病一千万。

由美国能源部（DOE）的阿贡国家实验室和四所大学的研究人员发明的一种新疗法，可能有一天会减轻某些脑部疾病患者的痛苦。这种治疗是基于光学和遗传学上的突破。它不仅适用于与运动有关的脑部疾病，而且还适用于慢性抑郁和疼痛。

“通过使用小型X射线机，我们的高精度无创方法可能会成为日常工作，这是每个牙科诊所普遍使用的那种设备。”—阿贡（Argonne）纳米材料中心的纳米科学家Elena Rozhkova

这种新的治疗方法包括通过注射的纳米粒子刺激大脑深处的神经元，当纳米粒子暴露于X射线（纳米闪烁体）时会亮起，从而消除了目前正在使用的侵入性脑部手术。

“我们的高精度无创方法可以通过使用小型X射线机成为日常工作，而这种小型X射线机通常在每个牙科诊所都可以找到，”阿贡大学纳米级材料中心（CNM）的首席作者兼纳米科学家Elena Rozhkova说道。 ，美国能源部科学使用者设施办公室。

当无法选择常规药物治疗时，传统的深部脑刺激需要针对疾病的侵入性神经外科手术。在美国食品药品监督管理局（US Food and Drug Administration）批准的传统手术中，外科医生在皮肤下植入经过校准的脉冲发生器（类似于起搏器）。然后，他们用一根绝缘的延长线将其连接到插入大脑特定区域的电极上，以刺激周围的神经元并调节异常冲动。

马里兰大学的神经生物学家瓦西里·齐特萨列夫说：“西班牙裔美国科学家若泽·曼努埃尔·罗德里格斯·德尔加多（JoséManuelRodríguezDelgado）在1960年代的一次斗牛场中展示了深部大脑刺激的著名表现。”``他通过向植入的电极发送无线电信号，使狂暴的公牛在他的身上停下了脚步。''

大约15年前，科学家推出了革命性的神经调节技术``光遗传学''，该技术依赖于大脑中特定神经元的基因修饰。这些神经元在大脑中创建一个光敏离子通道，从而响应外部激光而发射光。然而，这种方法需要将非常细的光纤线植入大脑中，并且激光穿过生物组织的穿透深度有限。

该小组的另一种光遗传学方法是将纳米闪烁体注射到大脑中，绕过可植入电极或光纤导线。它们具有更高的穿透生物组织屏障的能力，因此代替了X射线。

“我们注入的纳米粒子吸收了X射线能量，并将其转换为红光，其穿透深度比蓝光大得多，”前CNM博士后研究员Zhaohao Chen说。

Rozhkova补充说：“因此，纳米粒子充当内部光源，使我们的方法无需导线或电极即可工作。”Rozhkova指出，由于该小组的方法既可以刺激并平息目标区域，因此除了脑部疾病外，它还具有其他用途。例如，它可能适用于心脏问题和其他受损的肌肉。

团队成功的关键之一是Argonne的两个世界级设施之间的合作：CNM和Argonne的高级光子源（APS），DOE科学办公室的用户设施。这些设施的工作始于纳米闪烁体的合成和多工具表征。特别地，在APS光束线（20-BM）处确定纳米颗粒样品的X射线激发的光学发光。结果表明，该颗粒在数月内以及在反复暴露于高强度X射线下都极为稳定。

APS 20-BM光束线和加拿大光源的研究人员Zou Finfrock表示：``它们不断发出美丽的橙红色光。

接下来，阿贡（Argonne）将制备了CNM的纳米闪烁体送到马里兰大学进行小鼠测试。马里兰大学的团队使用小型便携式X射线机进行了两个月的测试。结果证明该程序按计划进行。大脑经过基因改造以对红光做出反应的小鼠对X射线脉冲产生的电波记录在脑电图上。

最终，马里兰大学的研究小组将动物大脑送去使用Argonne科学家进行的X射线荧光显微镜表征。这项分析是由Olga Antipova在APS的Microprobe光束线（2-ID-E）上以及蔡厚厚在CNM和APS共同操作的Hard X射线纳米探针（26-ID）上进行的。

这种多仪器布置使得可以看到微小颗粒以数十纳米的超分辨率驻留在复杂的大脑组织环境中。它还可以在微观上可视化靠近和远离注射部位的神经元。结果证明纳米闪烁体在化学和生物学上是稳定的。它们不会从注射部位徘徊或降解。

APS X射线科学部（XSD）的物理学家Antipova说：“样品制备在这些类型的生物学分析中极为重要。”Antipova得到了金巧玲和刘雪丽的协助，他们以珠宝商般的精确度准备了只有几微米厚的大脑切片。

Rozhkova说：“医学上的光遗传学引起了广泛的商业兴趣。”``尽管仍处于概念验证阶段，但我们预测采用小型X射线机的正在申请专利的无线方法应该有光明的前景。

参考：“由放射性发光纳米粒子实现的皮层神经元的无线光遗传学调制”，作者：赵兆,、瓦西里·特齐萨列夫，邹芬弗洛，奥尔加·安蒂波娃，蔡厚厚，荒川弘之，荒川弗里茨·W·利施卡，布莱恩·胡克斯，罗斯玛丽·威尔顿，王冬一，刘毅，布兰登·盖坦，杨涛，于晨，瑞哈·埃祖鲁姆鲁，杨煌豪和埃琳娜·罗兹科娃（Elena A.Rozhkova），2021年2月24日，ACS Nano.DOI：
10.1021 / acsnano.0c10436

相关文章《由放射性纳米颗粒实现的皮层神经元的无线光遗传学调制》发表在ACS Nano上。除了Rozhkova，Chen，Finfrock，Antipova和Cai之外，Argonne的另一位作者是Rosemarie Wilton。大学的贡献者包括来自马里兰大学生物工程系的Vassiliy Tsytsarev，Dongyi Wang，Liu Yi，Brandon Gaitan，Yang Tao和Yu Chen；马里兰大学医学院的Arakawa Hiroyuki和Reha Erzurumlu；卫生科学统一服务大学的Fritz Lischka；匹兹堡大学神经生物学系的Bryan Hooks；和来自福州大学的黄煌豪。

这项研究得到了美国能源部科学办公室，美国国立卫生研究院和美国国家科学基金会的支持。