人腦每天僅需要一只白熾燈燈泡的耗能就能完成高效而復(fù)雜的運(yùn)轉(zhuǎn)，如此高的“能效”究竟是如何實(shí)現(xiàn)的？是什么驅(qū)動(dòng)著精密的神經(jīng)系統(tǒng)、激活腦的無限潛能？中國(guó)科研人員研究發(fā)現(xiàn)，“中紅外光”可能成為打開腦科學(xué)研究的一把新密鑰，有望為神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供精確、安全的治療策略。

實(shí)驗(yàn)原理圖 來源/采訪對(duì)象供圖

日前，由上海理工大學(xué)未來光學(xué)實(shí)驗(yàn)室宋波課題組聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)腦科學(xué)轉(zhuǎn)化研究院舒友生課題組、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)溫泉課題組、國(guó)防科技創(chuàng)新研究院常超課題組、中科院化學(xué)所毛蘭群課題組共同完成了一項(xiàng)研究——通過中紅外刺激實(shí)現(xiàn)神經(jīng)信號(hào)與動(dòng)物行為的非熱、可逆調(diào)控，首次從理論和實(shí)驗(yàn)雙重角度發(fā)現(xiàn)并提出了神經(jīng)信號(hào)和腦功能調(diào)控的新機(jī)制和新策略。

宋波教授課題組與合作團(tuán)隊(duì)經(jīng)過近五年的深入研究，以量子物理、分子生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、行為學(xué)等多個(gè)學(xué)科交叉，為腦科學(xué)發(fā)展提供嶄新的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)�！吧�命的一切活動(dòng)都需要能量的驅(qū)動(dòng)。以往認(rèn)為，這種能量供給的過程以‘熱’為基礎(chǔ)。但事實(shí)上我們的研究發(fā)現(xiàn)，‘光’更可能如此低耗、高效地完成這個(gè)過程”。宋波課題組聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)等團(tuán)隊(duì)的前期研究發(fā)現(xiàn)，生物體內(nèi)存在中遠(yuǎn)紅外光光源，其發(fā)射出的光子可高效驅(qū)動(dòng)細(xì)胞內(nèi)的生化反應(yīng)、生理活動(dòng)。

在近期的研究中，舒友生教授課題組采用中紅外光（即：高頻太赫茲光）來照射腦組織中的神經(jīng)細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)細(xì)胞信號(hào)通道的精確調(diào)控，并發(fā)現(xiàn)這種光照可以影響動(dòng)物的行為。重要的是，他們發(fā)現(xiàn)這個(gè)過程不依賴于溫度的升高、不損傷神經(jīng)細(xì)胞�！坝谩�光’的方法帶來了一種全新的‘非熱’機(jī)制，而且通過光子驅(qū)動(dòng)生物過程可以實(shí)現(xiàn)很高的能量利用率”，論文共同第一作者朱智博士說。

宋波教授指導(dǎo)朱智博士實(shí)驗(yàn)

在臨床實(shí)踐中，多種有效的神經(jīng)調(diào)控方法被用于治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病，包括深部腦刺激、跨顱直流電刺激、跨顱磁刺激等。近紅外光通過光熱作用影響神經(jīng)細(xì)胞的電活動(dòng)，也是一種重要的神經(jīng)調(diào)控策略，常用于腦功能的研究。然而，近紅外光在調(diào)節(jié)過程中可能產(chǎn)生過量的熱，損傷附近的細(xì)胞和組織，導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能出現(xiàn)異常等副作用。因此，學(xué)界亟待一種更安全可靠的紅外光治療策略�！斑@項(xiàng)研究成果顛覆了以往人們對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，提出了一種全新的神經(jīng)信號(hào)調(diào)控原理，有望為治療阿爾茲海默癥、帕金森癥等神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病提供新思路，并且可推動(dòng)類腦人工智能、化學(xué)化工、材料器件設(shè)計(jì)、能源存儲(chǔ)轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域的發(fā)展”，宋波教授說道，“盡管實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走，但這項(xiàng)研究將對(duì)腦科學(xué)、類腦人工智能、化學(xué)、化工、材料、能源等方面研究都能帶來新的啟發(fā)�！�

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相關(guān)論文近日在《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》（PNAS）在線發(fā)表。北京師范大學(xué)博士生劉熹、西安交通大學(xué)博士生喬智、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生柴宇明、上海理工大學(xué)朱智博士為共同第一作者。