科学家改变神经元的内在行为以治疗癫痫等神经系统疾病

SEAS生物工程助理教授、该研究的共同第一作者刘佳说："我们设想这项技术将为神经科学和行为研究提供高时空分辨率控制神经元的新机会，并开发新的神经系统疾病治疗方法。"

光遗传学，即利用光来刺激或抑制神经元，长期以来有望彻底改变研究和治疗由神经元兴奋性过高或过低引起的神经系统疾病。然而，目前的光遗传学技术只能在短期内改变神经元的兴奋性。一旦灯光关闭，神经元就会恢复到原来的行为。

纳米技术的最新进展，包括刘和他的团队开创的灵活、可植入的纳米电子技术，有可能长期改变神经元的行为，但这些设备需要植入大脑，而且不能被编程为针对参与疾病的特定神经元。

一个神经元的兴奋性由两个主要部分控制--其离子通道的传导性和细胞膜储存电荷的能力，即电容。

大多数光遗传学技术以离子通道的传导性为目标，通过打开或关闭一组特定的通道来调控神经元的兴奋性。这种方法可以有效地调整神经元的兴奋性，但只是暂时的。

可以把神经元想象成一个电阻-电容电路，把细胞膜想象成一个电介质材料。就像任何电路一样，如果改变材料的电容--在这种情况下是细胞膜--可以长期改变电路的内在兴奋性，从高兴奋性变为低兴奋性，反之亦然。

为了改变细胞膜的电容，刘佳与麻省理工学院化学系Thomas D. and Virginia Cabot助理教授Xiao Wang合作，使用了对光敏感的酶，这些酶可以在细胞膜的表面触发绝缘或导电聚合物的形成。

这些酶可以被设计成针对特定神经元的细胞膜，酶附着在指定的膜上，研究人员使用蓝色波长的光照亮神经元，在几分钟内触发膜上绝缘或导电涂层的生成。他们证明，具有绝缘聚合物涂层的神经元变得更加兴奋，而具有导电聚合物涂层的神经元变得不那么兴奋。

研究人员发现，他们可以通过调整光照时间来调整兴奋性--神经元暴露在光照下的时间越长，涂层的绝缘性或导电性就越强。研究小组还表明，兴奋性的变化持续了三天--只要他们能在培养皿中保持神经元的活力。

接下来，研究小组的目标是用脑组织切片和动物来测试这种方法。

这项工作的总体目标是实现范式转变，将功能材料、结构和设备整合到具有亚细胞和细胞类型特异性的活体神经系统中，这将允许精确操纵亚细胞电化学特性，重塑活体神经系统中神经元的兴奋性。