光遗传学为以高时空精度控制神经系统的靶细胞和通路开辟了前所未有的可能性。剖析和操纵健康和疾病中大脑功能的潜在机制的能力引发了无数系统的发展，以向周围神经和大脑中的神经提供光刺激。脊髓对于控制运动和许多基本生理功能至关重要。因此，解开嵌入脊髓中的神经元和通路的作用是基础和临床神经科学的一项重大努力。用脑相比，脊髓结合的一系列需要新的光传输技术独特的挑战。
光电系统可以对不受束缚的动物的整个大脑中的目标神经元和通路进行精确控制，但用于脊髓的类似技术尚未完全建立。
鉴于此，洛桑联邦理工学院Grégoire Courtine、Stéphanie P. Lacour等人描述了一种超快、无线、闭环操作系统，用于在不受束缚的小鼠中对整个背腹脊髓的靶神经元和通路进行操作。成果发表在Nature Biotechnology上。
研究人员开发了一种柔软的可拉伸载体，集成了微型发光二极管 (micro-LED)，使其顺从脊髓的硬脑膜。Micro-LED 上的有机硅-磷光体矩阵涂层可提供机械保护和光转换，以与大量的视蛋白库兼容。
图|用于腰脊髓闭环光刺激的无线光电系统
轻巧的头戴式无线平台为微型 LED 供电，并对感测到的生理信号执行低延迟的片上处理，以在闭环中控制光刺激。并且研究人员使用该设备来揭示各种神经元亚型、感觉通路和脊髓上投射在控制健康和脊髓损伤小鼠运动中的作用。
图|光刺激的超快闭环控制以改变运动
图|特定神经元和运动通路的贡献
综上所述，本文解决了长期光电系统概念背后的挑战，该系统能够在不受束缚、不受限制和生态条件下对整个小鼠脊髓中的任何目标神经元或通路进行安全、长期、闭环的光刺激。还建立了小鼠模型脊髓光遗传学指南，使硬膜外植入物符合脊髓静力学和动力学，优化 LED 定位并避免改变神经元反应的组织加热。
临床试验已经开始评估视蛋白在治疗患者神经功能缺损方面的安全使用。由于脊髓是基于光遗传学疗法的主要目标，因此临床光遗传学将引发对能够照亮脊髓的医疗设备的兴趣激增。在这方面，该无线光电系统遵循医疗器械生态设计的关键原则，从而为开发人类脊髓系统开辟了道路。
参考文献：
Kathe,C., Michoud, F., Schönle, P. et al. Wireless closed-loop optogenetics acrossthe entire dorsoventral spinal cord in mice. Nat Biotechnol (2021).
https://doi.org/10.1038/s41587-021-01019-x
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