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陳碩:用光控制腦內神經元,讓無創治療帕金森成為可能

麻省理工科技評論 2019 年 12 月 14 日,《麻省理工科技評論》公布了 2019 年「35 歲以下科技創新35 人」(Innovators Under 35 China)中國區榜單。

2020-01-06 03:11 / 0人閱讀過此篇文章  


麻省理工科技評論

2019 年 12 月 14 日,《麻省理工科技評論》公布了 2019 年「35 歲以下科技創新35 人」(Innovators Under 35 China)中國區榜單。在本屆榜單上,雖然缺失了「創業家」的身影,但是我們看到了許多在具有產業化潛能的領域堅持科研使命的獲獎人,也看到更多散布在海外頂尖學術機構的科學家們,用自身不改初心的堅持努力,取得了世界級標竿成就的科研成果,其中有超過半數以上的獲獎者,都取得了世界級的突破性研究成果與發現。我們將陸續發出對 35 位獲獎者的獨家專訪,介紹他們的科技創新成果與經驗,以及他們對科技趨勢的理解與判斷。


關於 Innovators Under 35 China 榜單

自 1999 年起,《麻省理工科技評論》每年都會推出「35歲以下科技創新35人」榜單,旨在於全球範圍內評選出被認為最有才華、最具創新精神,以及最有可能改變世界的 35 位年輕技術創新者或企業家,共分為發明家、創業家、遠見者、人文關懷者及先鋒者五類。2017 年,該榜單正式推出中國區評選,遴選中國籍的青年科技創新者。新一屆 2020 年度榜單正在徵集提名與報名,截止時間 2020 年 6 月 30 日。詳情請見文末。


陳碩,發明家


陳碩憑藉其在光遺傳學領域取得的一系列成果,榮膺 2019 年《麻省理工科技評論》「35 歲以下科技創新 35 人」中國區得主。


獲獎年齡:35 歲

獲獎時職位:加州大學伯克利分校博士後
獲獎理由:他發明了一種用光無創控制腦內神經元的方法,有望幫助治療帕金森症、抑鬱症等疾病。


無創治療神經疾病一直是個世界性難題。據世界衛生組織統計,世界上三分之一的人口都會在一生中某個時刻受到神經疾病的困擾。在未來十年里,神經障礙患者的數量將達到 11 億。雖然這些疾病影響廣泛,卻始終缺乏安全有效的神經障礙療法。最有效的治療手段,植入電極,也因為創傷性太高而無法普及。

光遺傳學的誕生提供了一種無創治療思路:科學家發現,某些細菌的離子通道蛋白會響應藍光或黃綠光,從而開合離子通道來刺激或抑制特定神經。2005 年,科學家第一次將這些光敏蛋白表達在神經元里,為光控制神經活動提供了可能。但離子通道蛋白能響應的藍光穿透性較弱,如何穿透腦組織達到大腦深處,至今是一個難點。

加州大學伯克利分校的博士後研究員陳碩則發明了一種開創性的方法。他將上轉換納米粒子植入深部腦組織,這種粒子能高效地將紅外光轉化為藍光或綠光,並具有很好的生物相容性。而紅外光更容易穿透生物組織。這讓科學家控制神經元成為可能。

Science 評價道,「這種方法可能最終開創一條道路,讓人們能用光控制神經障礙,治療帕金森病甚至癱瘓等。」

陳碩能發現這種方法,很大程度上得益於他的合成化學、神經科學雙學科背景。從 2008 年到 2015 年,陳碩在東京大學工學部的化學生命工學專業進行博士研究。他偶然看到理化學研究所的腦科學研究中心在提供為期一年的腦科學培訓,從此喚起了對腦科學的興趣。

但這一交叉領域並沒有太多前人資料可以參考,陳碩的導師是腦科學方向,對化學了解不多,雖然鼓勵陳碩嘗試但並沒有太多指導。陳碩的博士後基金也是支持神經科學項目的,沒有多餘科研經費支持對這一交叉領域的研究。「沒有人討論,沒有知識輸入,沒有資金,沒有儀器設備」,陳碩這樣形容當時的窘境。

直到某一天,陳碩用紅外光測試一隻實驗小鼠的大腦腹側被蓋區,成功在下游檢測到多巴胺。他鬆了一口氣,意識到這種方法可行,剩下的更多是工程學問題。後來論文投中了《科學》,導師也很高興。

在哺乳動物大腦內,腹側被蓋區控制多巴胺分泌,因此與大腦犒賞系統和抑鬱症等情緒障礙密切相關。但這一區域在腦內位置較深,一直無法用傳統方法刺激到。在這一方案可行後,陳碩還實現了用紅外光刺激大腦海馬體,重新喚起小鼠情節記憶的研究。

從更廣泛的意義上,陳碩開創了一種新型深部腦刺激的方法:將可穿透顱骨和腦組織的能量(紅外光、超聲波、磁場、X射線等)轉換為腦內神經元離子通道能響應的信號(可見光、熱等)。

然而,這項研究要應用於臨床治療,還需要其他環節的進步:為了做到無創,需要利用血管將上轉換納米材料運輸到腦內,以及利用無毒病毒讓光敏離子通道蛋白在神經元上表達。如果這些研究就位,最終有望實現無需手術、非侵入性、高精度的深部腦刺激方法。

在神經科學領域,陳碩一直對大腦如何保持長期記憶很感興趣。而這項研究的另一個應用是在腦外觀測大腦活動。目前這種觀測主要通過功能性核磁共振成像來實現,該方法無法精確到細胞層面;或者通過在體電生理和在體功能螢光成像來實現,但這兩種方法的創傷性都過高。而如果能夠無創傷性的探測到腦深部細胞的活動,那麼可以極大的促進對意識、情緒和記憶的神經機理的研究。

目前陳碩已有 2 篇論文發表在《科學》雜誌上,另有多篇論文發表在《自然-神經科學》《德國應用化學》等刊物上。在工作之餘,陳碩還承擔《神經元》《自然材料》《自然通訊》《先進材料》等刊物的審稿人工作。

作為 2019 年中國區「35 歲以下科技創新 35 人」的獲獎者,陳碩十分強調中國繼續投入基礎科學研究的重要性,他認為應用研究固然重要,但基礎研究往往能帶來根本性的技術突破,甚至帶來產業革命。陳碩希望能在腦科學領域,為腦疾病的治療做出更多貢獻。





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