你无法看到水井或者海水深处，因为光无法穿透这么深。尽管大脑并非无底洞，但是神经学家们在研究大脑深部结构时也面临着相同的问题，光无法穿透到大脑深部。这对光遗传学而言更是个问题，因为这种技术主要通过光操纵遗传标记的大脑细胞，在过去数十年间越来越流行。“光遗传学是实验室控制神经元的突破性工具，将来也有可能运用于临床。”日本理化研究所（RIKEN）脑科学研究所研究组长Thomas McHugh说道。“不幸的是，现在向大脑导入光需要侵入性光学纤维。”

图片来源：RIKEN

McHugh及其同事现在找到了将光非侵入性导入到脑深处的新方法。在他们昨天发表于《Science》上的文章中，他们使用上转换纳米颗粒（UCNPs）将激光导入到了头盖骨深处。这种纳米颗粒可以在传统光遗传学无法达到的深度吸收近红外光并将它们转变为可见光。这种方法被用于激活大脑不同区域的神经元、沉默癫痫及激活记忆细胞。“纳米颗粒可以有效地延长我们光纤可以到达的深度，从而可以进行光的远程递送，实现非侵入性治疗。”McHugh说道。

光遗传学中通常用蓝光激活或者关闭神经元的光响应离子通道。但是这个波长范围的光会发生强烈的散射，距离可以穿透大脑深部组织的近红外光很远。UCNPs由镧系家族元素组成。它们的光激活特性可以把低能量的近红外光转变为高能量的蓝光或者绿光，以此控制特殊标记的细胞。尽管这种方式在小范围内传输了足够的能量，但是并未观察到局部温度上升或者细胞损伤。

除了激活神经元，UCNPs也可以用于抑制癫痫小鼠病情。研究人员给小鼠海马区注射了可以发出绿光的纳米颗粒，随后用近红外光在头盖骨表面进行照射。结果这些小鼠的癫痫神经元被有效沉默。在另一个叫做内侧隔核的区域，纳米颗粒发出的光促进了神经元theta周期（一种重要的脑电波）的同步。在具有恐惧记忆的小鼠中，研究人员使用可以发光的UCNPs成功在海马区激起了小鼠的恐惧记忆。这些神经元激活、抑制和记忆激起效应只在注射了纳米颗粒的小鼠身上观察到。

小鼠的记忆激起可以维持两周。这表明UCNPs保留在注射部位，研究人员也通过显微镜确认了这个现象。“这些纳米颗粒似乎非常稳定，并具有生物相容性，这使得它们可以长期使用。此外，低扩散性意味着我们可以特异性靶向神经元。”McHugh说道。这项研究中使用的纳米颗粒与现有光遗传学领域使用的各种光都兼容，因此可以用于许多深部脑组织的神经元激活或者抑制。这些纳米颗粒可以成为侵入性光纤的替代物，这些颗粒与脑组织的慢性反应研究目前正在进行。

这项研究由RIKEN脑科学研究所、新加坡国立大学、东京大学、约翰霍普金斯大学和庆应义塾大学的科学家们一起合作完成。

原始出处：

Chen et al.Near-infrared deep brain stimulation via upconversion nanoparticle-mediated optogenetics. Science, 2018 DOI: 10.1126/sciadv.aaq1144