陈硕:用光控制脑内神经元,让无创治疗帕金森成为可能

科学
陈硕:用光控制脑内神经元,让无创治疗帕金森成为可能
麻省理工科技评论 2020-01-02

2020-01-02

陈硕凭借其在光遗传学领域取得的一系列成果,荣膺 2019 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区得主
神经元 35岁以下科技创新35人
陈硕凭借其在光遗传学领域取得的一系列成果,荣膺 2019 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区得主

2019 年 12 月 14 日,《麻省理工科技评论》公布了 2019 年“35 岁以下科技创新35 人”(Innovators Under 35 China)中国区榜单。在本届榜单上,虽然缺失了“创业家”的身影,但是我们看到了许多在具有产业化潜能的领域坚持科研使命的获奖人,也看到更多散布在海外顶尖学术机构的科学家们,用自身不改初心的坚持努力,取得了世界级标竿成就的科研成果,其中有超过半数以上的获奖者,都取得了世界级的突破性研究成果与发现。我们将陆续发出对 35 位获奖者的独家专访,介绍他们的科技创新成果与经验,以及他们对科技趋势的理解与判断。

关于 Innovators Under 35 China 榜单

自 1999 年起,《麻省理工科技评论》每年都会推出“35岁以下科技创新35人”榜单,旨在于全球范围内评选出被认为最有才华、最具创新精神,以及最有可能改变世界的 35 位年轻技术创新者或企业家,共分为发明家、创业家、远见者、人文关怀者及先锋者五类。2017 年,该榜单正式推出中国区评选,遴选中国籍的青年科技创新者。新一届 2020 年度榜单正在征集提名与报名,截止时间 2020 年 6 月 30 日。详情请见文末。

陈硕:用光控制脑内神经元,让无创治疗帕金森成为可能

陈硕,发明家

陈硕凭借其在光遗传学领域取得的一系列成果,荣膺 2019 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区得主。

获奖年龄:35 岁

获奖时职位:加州大学伯克利分校博士后
获奖理由:他发明了一种用光无创控制脑内神经元的方法,有望帮助治疗帕金森症、抑郁症等疾病。

无创治疗神经疾病一直是个世界性难题。据世界卫生组织统计,世界上三分之一的人口都会在一生中某个时刻受到神经疾病的困扰。在未来十年里,神经障碍患者的数量将达到 11 亿。虽然这些疾病影响广泛,却始终缺乏安全有效的神经障碍疗法。最有效的治疗手段,植入电极,也因为创伤性太高而无法普及。

光遗传学的诞生提供了一种无创治疗思路:科学家发现,某些细菌的离子通道蛋白会响应蓝光或黄绿光,从而开合离子通道来刺激或抑制特定神经。2005 年,科学家第一次将这些光敏蛋白表达在神经元里,为光控制神经活动提供了可能。但离子通道蛋白能响应的蓝光穿透性较弱,如何穿透脑组织达到大脑深处,至今是一个难点。

加州大学伯克利分校的博士后研究员陈硕则发明了一种开创性的方法。他将上转换纳米粒子植入深部脑组织,这种粒子能高效地将红外光转化为蓝光或绿光,并具有很好的生物相容性。而红外光更容易穿透生物组织。这让科学家控制神经元成为可能。

Science 评价道,“这种方法可能最终开创一条道路,让人们能用光控制神经障碍,治疗帕金森病甚至瘫痪等。”

陈硕能发现这种方法,很大程度上得益于他的合成化学、神经科学双学科背景。从 2008 年到 2015 年,陈硕在东京大学工学部的化学生命工学专业进行博士研究。他偶然看到理化学研究所的脑科学研究中心在提供为期一年的脑科学培训,从此唤起了对脑科学的兴趣。

但这一交叉领域并没有太多前人资料可以参考,陈硕的导师是脑科学方向,对化学了解不多,虽然鼓励陈硕尝试但并没有太多指导。陈硕的博士后基金也是支持神经科学项目的,没有多余科研经费支持对这一交叉领域的研究。“没有人讨论,没有知识输入,没有资金,没有仪器设备”,陈硕这样形容当时的窘境。

直到某一天,陈硕用红外光测试一只实验小鼠的大脑腹侧被盖区,成功在下游检测到多巴胺。他松了一口气,意识到这种方法可行,剩下的更多是工程学问题。后来论文投中了《科学》,导师也很高兴。

在哺乳动物大脑内,腹侧被盖区控制多巴胺分泌,因此与大脑犒赏系统和抑郁症等情绪障碍密切相关。但这一区域在脑内位置较深,一直无法用传统方法刺激到。在这一方案可行后,陈硕还实现了用红外光刺激大脑海马体,重新唤起小鼠情节记忆的研究。

从更广泛的意义上,陈硕开创了一种新型深部脑刺激的方法:将可穿透颅骨和脑组织的能量(红外光、超声波、磁场、X射线等)转换为脑内神经元离子通道能响应的信号(可见光、热等)。

然而,这项研究要应用于临床治疗,还需要其他环节的进步:为了做到无创,需要利用血管将上转换纳米材料运输到脑内,以及利用无毒病毒让光敏离子通道蛋白在神经元上表达。如果这些研究就位,最终有望实现无需手术、非侵入性、高精度的深部脑刺激方法。

在神经科学领域,陈硕一直对大脑如何保持长期记忆很感兴趣。而这项研究的另一个应用是在脑外观测大脑活动。目前这种观测主要通过功能性核磁共振成像来实现,该方法无法精确到细胞层面;或者通过在体电生理和在体功能荧光成像来实现,但这两种方法的创伤性都过高。而如果能够无创伤性的探测到脑深部细胞的活动,那么可以极大的促进对意识、情绪和记忆的神经机理的研究。

目前陈硕已有 2 篇论文发表在《科学》杂志上,另有多篇论文发表在《自然-神经科学》《德国应用化学》等刊物上。在工作之余,陈硕还承担《神经元》《自然材料》《自然通讯》《先进材料》等刊物的审稿人工作。

作为 2019 年中国区“35 岁以下科技创新 35 人”的获奖者,陈硕十分强调中国继续投入基础科学研究的重要性,他认为应用研究固然重要,但基础研究往往能带来根本性的技术突破,甚至带来产业革命。陈硕希望能在脑科学领域,为脑疾病的治疗做出更多贡献。

麻省理工科技评论

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