一直以來，科學(xué)家們關(guān)注著一個話題：其他動物之間能否交際溝通?動物的社交方式是怎樣的?
已有的研究成果告訴我們，動物之間要進(jìn)行通訊聯(lián)系，媒介可以是伴有特殊氣味的信息素、獨(dú)特的行為語言、特定的發(fā)聲方式、強(qiáng)大的感知力等等。
而最近的一項(xiàng)研究表明，科學(xué)家們不僅能發(fā)現(xiàn)小動物之間的「社交秘密」，甚至可以用特定技術(shù)手段主動控制其實(shí)時社交行為!
研究團(tuán)隊(duì)用光束建立起了小鼠的社交紐帶，通過「無線編程 - 取消編程」的方式，在小鼠頭骨中嵌入神經(jīng)植入物，植入物的激活 / 關(guān)閉恰好對應(yīng)著小鼠社交與否。
2021 年 5 月 10 日，相關(guān)論文發(fā)表于 Nature 子刊 Nature Neuroscience(《自然 - 神經(jīng)科學(xué)》)，題為 Wireless multilateral devices for optogenetic studies of individual and social behaviors(用于個人和社會行為的光遺傳學(xué)研究無線多邊裝置)。
動物間的首次實(shí)時社交控制
為實(shí)現(xiàn)小鼠社交實(shí)時控制，科學(xué)家們設(shè)計了下圖這款厚度僅有半毫米的、小而薄的無線神器，研究人員將其作為植入物置于小鼠頭骨位置。
據(jù)官方介紹：
設(shè)備利用了近場通信協(xié)議，與智能手機(jī)中用于電子支付的技術(shù)相同，研究人員只需通過電腦對光線進(jìn)行實(shí)時無線操作。圍繞在動物周圍的天線可將能量傳送至無線設(shè)備，從而消除了對笨重電池的需求。
具體來講，植入物與一種尖端有 led 的絲狀微型探針相連，led 將會與小鼠大腦的中央執(zhí)行區(qū)同步，而這一區(qū)域負(fù)責(zé)反饋大腦獎賞信息。
這里的“獎賞”為何物，我們可以通過人腦進(jìn)行理解 —— 當(dāng)人們作出某一決策后，若被證實(shí)正確且產(chǎn)生了積極結(jié)果，大腦就會向負(fù)責(zé)決策的區(qū)域發(fā)送“獎賞”信號，這將促進(jìn)認(rèn)知能力的提升，并形成良性循環(huán)，這一過程即「獎賞效應(yīng)」。此前有研究表明，這一效應(yīng)所處的大腦區(qū)域有特殊神經(jīng)元釋放神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺，它會讓人們產(chǎn)生積極情緒。
正是上述同步機(jī)制激活了小鼠之間的聯(lián)系。
同樣的道理，如果要減少兩只小鼠的社交活動，只需切斷上述同步機(jī)制。
具體的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)兩只小鼠在封閉環(huán)境中彼此靠近時，研究人員可以無線同步，激活大腦區(qū)域中與高級執(zhí)行功能相關(guān)的一組神經(jīng)元，使得小鼠交流的頻率和持續(xù)時間增加;而這對小鼠的互動則可通過去同步化刺激迅速減少。
實(shí)驗(yàn)原理看似簡單，其實(shí)有著重要的意義。
人腦是一個由近 1000 億個交織在一起的神經(jīng)元組成的系統(tǒng)，要探測單個或一組神經(jīng)元都是極其困難的。2005 年前后，研究團(tuán)隊(duì)在引入的動物模型中，通過光遺傳學(xué)提供了對特定的、以基因?yàn)槟繕?biāo)的神經(jīng)元的控制，以便研究它們的連通性或神經(jīng)遞質(zhì)釋放。
當(dāng)時，研究人員首先對小鼠的神經(jīng)元進(jìn)行修飾，使其表達(dá)一種來自光敏藻類的修飾基因;然后科學(xué)家們利用外部光線控制、監(jiān)測大腦活動。由于涉及到基因工程，該方法尚未被批準(zhǔn)用于人類 —— 但放眼未來，光遺傳學(xué)有朝一日將用于治療失明或癱瘓。
實(shí)際上，此前這類研究中所用到的均為有線設(shè)備，其問題主要在于光纖線可能出現(xiàn)纏繞甚至斷裂的情況，科學(xué)家們很難判定動物是否僅因光纖線影響而表現(xiàn)出不同行為。
對此，論文通訊作者之一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計者、西北大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)家 Yevgenia Kozorovitskiy表示：
為了研究動物在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，我們需要這種創(chuàng)新的無線技術(shù)。
美國頂尖私立研究型大學(xué)西北大學(xué)(Northwestern University)通過其官網(wǎng)表示：
西北大學(xué)的工程師和神經(jīng)生物學(xué)家們首次實(shí)現(xiàn)了動物間的實(shí)時社交互動，這得益于他們研發(fā)的首款使用光激活神經(jīng)元的超微型、無線、無電池、完全可植入設(shè)備。同時，這項(xiàng)研究也是學(xué)界首次通過光遺傳學(xué)探索動物間的社交互動。
關(guān)于作者
實(shí)際上除了美國西北大學(xué)，這一研究亦有眾多名校研究人員參與。
該論文作者主要來自：
美國高校及科研院所：西北大學(xué)、陸軍研究實(shí)驗(yàn)室、陸軍化學(xué)防御醫(yī)學(xué)研究所、華盛頓大學(xué)、科羅拉多大學(xué)博爾德分校;
中國高校及科研院所：上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)(物理系、電子工程系)、西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院、天津大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院、中國香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系、大連理工大學(xué)工程力學(xué)系工業(yè)設(shè)備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;
美國企業(yè)：馬里蘭州貝爾坎普市咨詢工程公司、伊利諾伊州埃文斯頓 Neurolux 公司;
印度科研院所：科技部中央科學(xué)儀器組織。
其中包括這樣三位科學(xué)家：
一是Yevgenia Kozorovitskiy。
Yevgenia Kozorovitskiy 是西北大學(xué)分子生物學(xué)研究教授、神經(jīng)生物學(xué)副教授、化學(xué)生命過程研究所成員。其主要研究領(lǐng)域?yàn)橄到y(tǒng)神經(jīng)科學(xué)、發(fā)育神經(jīng)科學(xué)、細(xì)胞與分子神經(jīng)科學(xué)等。
二是John A. Rogers。
Rogers 是國際著名材料學(xué)家、物理學(xué)家及化學(xué)家，現(xiàn)為美國國家科學(xué)院、美國國家工程院、美國藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院三院院士。他在西北大學(xué)材料科學(xué)與工程、生物醫(yī)學(xué)工程和神經(jīng)外科等專業(yè)擔(dān)任教授，也是該校 Querrey Simpson 生物電子研究所主任。
對于此次研究，John Rogers 這樣評價：
從個體研究到對會產(chǎn)生復(fù)雜社交互動的群體研究，是神經(jīng)科學(xué)最重要、最令人興奮的前沿領(lǐng)域之一。
三是黃永剛。
黃永剛是華人固體力學(xué)家，現(xiàn)為美國科學(xué)院院士、美國國家工程院院士、美國藝術(shù)與科學(xué)院院士、歐洲科學(xué)院院士、中國科學(xué)院外籍院士，美國西北大學(xué)冠名講席教授。其主要研究領(lǐng)域是材料和電子器件的力學(xué)行為，曾與合作者共同開創(chuàng)了可延展無機(jī)電子器件領(lǐng)域，并創(chuàng)立了基于微觀機(jī)制的應(yīng)變梯度理論。
