作者:约瑟夫
阿尔贡国家实验室哈蒙 艺术家的作品展示了x光照射大脑中的放射发光纳米颗粒，这些纳米颗粒发出红光，引发钠离子和钾离子流入，从而激活大脑神经元
学分:陈兆伟/阿尔贡国家实验室 科学家们关键发现了用x光无线调节神经元的方法，这种方法可以改善大脑疾病患者的生活
x光源只需要一台类似于牙医诊所的机器
全世界许多人都患有与运动相关的大脑疾病
癫痫病占5000多万；特发性震颤，4000万；和帕金森病，1000万
美国研究人员发明的一种新疗法有朝一日可能会减轻一些大脑紊乱患者的痛苦
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能源部阿尔贡国家实验室和四所大学
这种治疗基于光学和遗传学的突破
它不仅适用于运动相关的大脑疾病，也适用于慢性抑郁症和疼痛
这种新的治疗方法包括通过注射纳米粒子刺激大脑深处的神经元，当暴露在x光下时，纳米粒子就会发光，这将消除目前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光机变得常规化，这种x光机在每个牙科诊所都很常见，”艾琳娜·罗什科娃说，她是主要作者，也是美国能源部科学办公室用户机构阿贡纳米材料中心(CNM)的纳米科学家
传统的深部脑刺激术需要侵入性神经外科手术来治疗疾病，而传统的药物治疗是不可行的
在传统程序中，由美国批准
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美国食品和药物管理局，外科医生在皮下植入一个校准过的脉冲发生器(类似于起搏器)
然后，他们用绝缘延长线将它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脉冲
“西班牙裔美国科学家何塞·曼努埃尔·罗德里格斯·德尔加多在20世纪60年代在斗牛场展示了著名的深度大脑刺激，”马里兰大学的神经生物学家瓦西里·特萨雷夫说，他也是这项研究的合著者
“他通过向植入的电极发送无线电信号，让一头愤怒的公牛停止向他冲来
" 大约15年前，科学家引入了一种革命性的神经调节技术“光遗传学”，它依赖于大脑中特定神经元的遗传修饰
这些神经元在大脑中产生一个光敏离子通道，从而对外部激光产生反应
然而，这种方法需要在大脑中植入非常细的光纤，并且激光穿过生物组织的穿透深度有限
该小组的替代光遗传学方法使用注入大脑的纳米晶体，绕过植入电极或光纤
代替激光，它们代替了x光，因为它们更有能力穿过生物组织屏障
“注入的纳米粒子吸收x光能量并将其转化为红光，红光的穿透深度明显大于蓝光，”前CNM博士后陈兆伟说
“因此，纳米粒子充当内部光源，使我们的方法在没有电线或电极的情况下工作，”罗兹科娃补充说
Rozhkova指出，由于该团队的方法既能刺激又能抑制目标小区域，因此它除了大脑紊乱还有其他应用
例如，它可以应用于心脏问题和其他受损的肌肉
该团队成功的关键之一是阿尔贡的两个世界级设施之间的合作:CNM和阿尔贡的高级光子源，一个美国能源部科学用户办公室设施
这些设施的工作始于纳米反应器的合成和多工具表征
特别地，纳米粒子样品的x光激发光学发光是在APS束线(20-BM)处测定的
结果表明，这些粒子在几个月内和反复暴露在高强度x光下后都非常稳定
根据APS 20-BM束线和加拿大光源的工作人员科学家邹·芬弗洛克的说法，“它们一直发出美丽的橙红色光
" 接下来，阿尔贡把CNM准备的纳米取样器送到马里兰大学进行老鼠实验
马里兰大学的团队用一台小型便携式x光机进行了两个多月的测试
结果证明程序按计划进行
大脑经过基因改造以对红光做出反应的老鼠对x光脉冲做出反应，脑电波被记录在脑电图上
最后，马里兰大学的研究小组将动物大脑送去由阿尔贡科学家进行的x光荧光显微镜进行表征
这项分析由奥尔加·安蒂波娃在美国物理学会的微探针束线(2-ID-E)上进行，由蔡忠厚在CNM和美国物理学会联合操作的硬X射线纳米探针(26-ID)上进行
这种多仪器的布置使得以几十纳米的超分辨率观察复杂的脑组织环境中的微小粒子成为可能
它还允许在微尺度上可视化注射部位附近和远离注射部位的神经元
结果证明，纳米胶束是化学和生物稳定的
它们不会从注射部位游走或降解
“样品制备在这些类型的生物分析中极其重要，”美国物理学会x光科学部(XSD)的物理学家安提波娃说
安提波娃得到了金巧玲和刘学礼的帮助，他们用宝石般的精确度制备了只有几微米厚的大脑切片
“医学应用中的光遗传学有着强烈的商业兴趣，”罗兹科娃说
“虽然仍处于概念验证阶段，但我们预测，我们正在申请专利的小型x光机无线方法将会有一个光明的未来
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