伊利诺斯的研究人员利用特定光的超快脉冲来使神经元以不同的模式触发，这是活细胞内相干控制的第一个例子。援引：伊利诺斯大学Stephen Boppart

据伊利诺斯大学的一项新研究显示，特定的超快光脉冲可以引起神经元触发，今后可以用于帮助患有光敏昼夜节律或情绪问题的患者。

化学家已经使用这种称为相干控制的精细设计光束来调节化学反应，但这项研究是使用它们来控制活细胞功能的第一个示范。这项研究使用了光遗传学小鼠神经元，也就是说在细胞中添加了一个基因，使它们对光有反应。然而研究人员说，相同的技术可以用于对光线有自然反应的细胞，如视网膜细胞。

“俗话说‘眼睛是心灵的窗户’，这是有一定道理的，因为我们的身体会对光做出反应。我们视网膜中的光感受器连接到大脑中控制情绪、代谢节律和昼夜节律的不同部位，”《Nature Physics》杂志上发表的这项研究的负责人Stephen Boppart博士如是说。Boppart是伊利诺斯的电气和计算机工程和生物工程学教授，也是一名医学博士。

研究人员利用光来刺激神经元膜中的光敏通道。当通道被激发时，它们允许离子通过，导致神经元触发。

尽管大多数自然界的生物系统习惯于来自太阳的连续光，但Boppart的研究小组却使用了很短的光脉冲——小于100飞秒。这可以在短时间内提供大量的能量，将分子激发到不同的能量状态。在控制光脉冲长度的同时，Boppart的团队控制每个光脉冲中波长的顺序。

“当有一个超短或超快的光脉冲时，这个脉冲中有很多颜色。我们可以控制哪种颜色先出现，或者每种颜色的明亮程度如何，”Boppart说。“例如，蓝色波长比红色波长的光能量高很多。如果我们选择哪一种颜色先出现，我们就能控制分子在什么时候看到什么能量，从而使兴奋值上升或回到基线。如果我们产生一个先蓝后红的脉冲，它会和先红后蓝的脉冲差异很大。”

研究人员演示了使用定制的光脉冲模式，使神经元以不同的模式触发。

Boppart说，相干控制可以给遗传学研究带来更大的灵活性, 因为改变使用的光的性质就可以给研究人员提供更多的途径, 而不是在每次他们想要一个不同的神经元行为时，都必须用新的基因改造小鼠。

在光遗传学之外，研究人员正在努力测试其自然光响应细胞和过程的相干控制技术——例如视网膜细胞和光合作用。

“我们目前是首次通过光和相干控制来调节生物功能。这从根本上比遗传学更普遍, 而且只是我们用的第一个例子，”Boppart说。“这将会是一种无基因、无药物的调节细胞和组织功能的方法。我们认为这将成为一种‘光学药品’，一种通过光治疗患者的方法。”

来源： https://phys.org/news/2017-11-carefully-crafted-pulses-neuron.html

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