在过去的五年里，芝加哥大学的化学家田博志一直在研究如何用光来控制生物学。

一个长期的科学目标是作为研究者和身体之间的接口的设备，作为一种理解细胞如何在彼此之间和在自身内部交谈的方式，并且最终通过刺激神经来治疗大脑或神经系统疾病。火或四肢移动。硅 - 一种用于太阳能电池板和外科植入物的多功能生物相容材料 - 是一种自然选择。

在4月30日发表在Nature Biomedical Engineering上的一篇论文中，Tian的团队制定了一套设计原则系统，用于处理硅在三个层面控制生物 - 从细胞内的个体细胞器到组织再到整个肢体。该小组已经在细胞或小鼠模型中证明了这一点，包括第一次有人使用光来控制没有遗传修饰的行为。

“我们希望这可以作为地图，在那里你可以决定你想要研究哪个问题，并立即找到合适的材料和方法来解决它，”化学系助理教授田说。

科学家的地图列出了制作硅器件的最佳方法，这取决于预期的任务和从细胞内到整个动物的规模。

例如，为了影响个体脑细胞，可以通过发射微小的离子电流来制造硅以响应光，这会促使神经元发射。但是为了刺激四肢，科学家们需要一个信号可以传播得更远并且更强的系统 - 例如镀金的硅材料，其中光会引发化学反应。

植入物的机械特性也很重要。研究人员希望研究一大块大脑，如皮质，以控制运动。大脑是一种柔软，柔软的物质，因此它们需要一种同样柔软和有弹性的材料，但可以紧密地粘在表面上。设计原则说，他们想要薄而有花边的硅片。

该团队倾向于采用这种方法，因为它不需要进行基因改造或连接电源，因为硅可以制成基本上很小的太阳能电池板。(许多其他形式的监测或与大脑交互需要有电源，并且保持电线进入患者是一种感染风险。)

他们在老鼠身上测试了这个概念，发现他们可以通过在大脑植入物上照射光来刺激肢体运动。以前的研究测试了神经元中的概念。

“我们对生物学的一些内在问题没有答案，例如个体线粒体是否通过生物电信号进行远程通信，”该论文的第一作者江文文说，当时是UChicago的研究生，现在是博士后研究员。在斯坦福大学。“这套工具可以解决这些问题，并指出可能解决神经系统疾病的方法。”