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约是头发丝直径的十分之一

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2018-06-30
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  秒速飞艇官网电影《大话西游》中,紫霞仙子钻进至尊宝的心里,留下了一滴眼泪;最终借此发现了深藏在至尊宝心底的爱情秘密。

  论文显示,一种注射式微型光电子器件已经问世,它可以植入小鼠的脑部,且不造成其脑部损伤,从而成功控制、干扰其行为模式。

  论文作者之一、浙江大学副教授吕朝锋博士告诉记者,这一技术的实现,突破了生物医疗领域的又一技术瓶颈。“简单说,这个微型电子器件,就类似一个LED灯泡,通过发射各种光信号,刺激神经元释放多巴胺及其他神经递质,从而控制动物的行为。”

  此前,亦有科学家试图将器件植入动物大脑从事类似研究,但是,受制于电子器件会损伤大脑本身,一直都未获成功。

  此前的相关研究之所以没成功,一是因为植入的电子器件毫米级别的尺寸太大,会损伤脑组织;二是光电子器件发光的同时还会发热,平均2摄氏度左右的升温无法被动物脑部承受,会导致脑细胞大量死亡。“特别是温度控制,是这个光电子器件中非常重要的技术难点。”吕朝锋说。

  所以,中、美、韩等多个研究机构的研究人员需对这个光电子器件进行精密的结构和热管理设计。在国内做道路工程和隧道LED照明系统热管理研究的吕朝锋,受浙江大学学术带头人后备人才出国研究专项计划——“新星计划”资助,在美国西北大学土木与环境工程系黄永刚教授的小组做访问研究期间,负责实施了该光电子器件在动物大脑中工作时的温度控制和热管理问题研究。

  “看似道路工程研究与这个课题风马牛不相及,但其实道路工程研究中的材料和结构力学以及传热学等方面的知识储备,恰恰适用于控温这个问题。”

  据吕朝锋博士介绍,与传统光纤器件相比,除了能在工作时把脑组织的温度升高控制在0.1摄氏度以下,此次设计的器件还具有体积小、高度柔软、重量轻的特点。

  首先,整个器件只有细胞尺度大小,其平面尺寸只有50微米×50微米,与头发丝直径相当。其核心微型发光二极管,厚度为6.45微米,约是头发丝直径的十分之一,而即便集成精密光学、热、电生理传感器和驱动器等一整套完整的电子设备,最终器件的总厚度也只有20微米左右。

  其次,柔软的特点使其可以通过微型针头精确地植入脑组织内的任何部位,从而实现精确的光子传输以及与神经元的直接交互,且不会导致脑组织损毁、神经元损耗以及后期炎症等。

  再者,该器件不像传统器件那样需要外加复杂的激光源、有线网络、电源以及光机硬件设备,而只是在动物大脑外部配备无线电装置。这一装置也非常轻,重量仅约2克,因此不会影响动物的任何行动。

  此外,不同于目前应用于脑电波、心电波监测领域的表面接收技术,植入的光电子器件不需要通过八爪章鱼般的连接线连接庞大的外部设备,而是依靠无线信号收发控制,因而具有更广泛的应用空间。

  但是,又小又软的光电子器件如何植入小鼠脑内,也颇费心思。研究人员想了个办法,用素丝蛋白黏合剂把器件粘在微型针头上,再将微型针头插入鼠脑的指定位置。因为这种黏合剂具有生物可溶性,只要等到鼠脑内的体液将它溶解后,就可以单独拔出针头,而把光电子器件留在鼠脑内。

  光电子器件植入到鼠脑内后,就像至尊宝心中的那滴眼泪,开始向人们展示小鼠的脑部活动。

  光电子器件此时就像一个信号指示灯,它首先通过无线收发装置,接收外部遥控传来的信号,据此释放不同方向和强度的各种光信号,刺激大脑神经元分泌多巴胺,从而达到干扰和控制小鼠行动的目的。

  “比如说,关在笼子里的小鼠,一般喜欢沿着笼子角落行走,现在我们可以通过无线遥控光电子器件发光,干扰小鼠使其可以在笼子里任意走动;另外,在滚轮奔跑时,我们还可以控制它的方向、速度和轨迹。”吕朝锋举例道。除此以外,研究人员已经可以成功实现对小鼠的迷宫行走、两只小鼠的互动交流等各种复杂行为模式进行干扰。

  吕朝锋认为,未来,随着这项技术的逐渐成熟,将在基础医学研究和临床医疗技术领域拥有广阔的应用空间。“这项技术首先可以凭借‘植入组织、和细胞及神经元直接交互’的优势,替代现在的表面监测技术,帮助器官疾病患者探测病因。其次,它还可能改进甚至替代现在的微创手术,譬如帮助诊断甚至治疗脑瘫、中风、神经抑郁等病症。”吕朝锋说,“当然,这只是未来的一种可能性。作为科研工作者,我们希望这项技术有朝一日能够在医疗领域实现产业化。”

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