科学家设计声光遗传学方法，兼具强机械发光，可基因靶向调控深脑
近期，美国德克萨斯大学奥斯汀分校助理教授王辉亮团队制备了一种聚焦超声介导的脂质体纳米粒子，并以此为基础开发了非侵入的声光遗传技术，
具体来说，在超声刺激下，通过该纳米材料能够将超声转换为光，产生亚秒响应延迟的蓝光，有效激活视蛋白表达的神经元用于神经网络解析和行为调控。
优异的生物安全性和生物相容性数据表明，该技术有望在未来进行大型动物非侵入靶向的深脑调控。审稿人对该研究评价道：“非侵入性声光遗传学在深部组织中的应用，对神经科学领域具有重要的意义。 “
图丨相关论文（来源：ACS Nano）
近日，相关论文以《超声级联放大的机械力致发光纳米器用于声光遗传深脑刺激》（Ultrasound-Induced Cascade Amplification in a Mechanoluminescent Nanotransducer for Enhanced Sono-Optogenetic Deep Brain Stimulation）为题发表在ACS Nano[1]。
德克萨斯大学奥斯汀分校博士后研究员王文靓为论文的第一作者，助理教授王辉亮为论文的通讯作者。
首次通过声光遗传学实现深脑调控
在神经调控领域，目前 Medtronic、Boston Scientific、Abbott 等产业化公司展现出神经调控技术的发展潜力，应用相关技术治疗帕金森、癫痫、疼痛、心理疾病等。
此外，美国医疗技术公司 Axonics Modulation Technologies 还通过可植入骶骨神经调控装置治疗尿失禁等。
对大脑深部特定区域的神经元实现靶向调控，对于理解和治疗神经系统疾病非常重要。根据文献报道，通过在大脑内植入电极刺激丘脑底核神经元来治疗帕金森病，是目前临床采用的主要技术手段之一。
虽然该方法能够改善帕金森病患者的一些临床症状（例如手抖），但仍是一种“治标不治本”的方式。并且，植入电极涉及到开颅手术，极有可能对电极周边的大脑神经元造成永久损伤，并具有感染等风险。
用光遗传学方法治疗帕金森病能够通过靶向特定的神经群落，降低脱靶效应造成的副作用的同时实现长效的治疗效果。然而，该方法受到可见光对脑组织穿透深度的限制。
那么，有没有可能通过非侵入的方式来解决呢？王辉亮在成立独立课题组之前，就开始思考这个实际的临床需求。
超声具有组织穿透深和临床安全性高的优势，而声光遗传学不需要在大脑内植入电极，能够无损、精准地将光递送到靶向区域调控某一种类的神经元，并可达到毫秒级的时间分辨率，以及符合超过 10cm 穿透深度的临床需求。
2019 年，王辉亮与美国斯坦福大学洪国松教授课题组合作，首次在 PNAS 报道了利用机械发光的无机纳米粒子，他们将聚焦超声转化为光以实现光遗传学刺激，该方法被称为“声光遗传学（Sono-Optogenetics）”[2]。
并且，成功验证了该技术对神经元的体外控制和小鼠运动行为体内控制的功效。这种基于超声靶向神经调控的方法，为实现远程和基因靶向调控大脑提供了一种有前景的方法。
（来源：JACS）
2023 年初，该课题组在 JACS 报道了一种脂质体纳米颗粒（Lipo@IR780/L012），通过这种有机聚焦超声介导的机械发光纳米材料用于大脑中非侵入光递送[3]。
然而，不可忽视的是，由于化学反应效率低和发光强度等限制因素，神经调控的区域只能局限在浅脑。研究人员发现，发光强度受超声能量的影响，要想实现深脑区域的神经调控，则需要较高的超声强度。
在该研究中，研究人员从分子机理出发，进一步开发了具有更强发光和更高灵敏性的纳米体系，首次通过声光遗传学实现了小鼠深脑区域的调控，并实现控制小鼠的神经活动和改变它的行为。
目前，王辉亮课题组正着力于开发能够发射不同波长的超声纳米体系，例如绿光、黄光、红光等。另一方面，研究团队也在尝试与其他有机材料/声敏剂结合，以实现更高的超声灵敏度。
通过大量测试和筛选不同的化学发光剂，研究人员找到具有高响应灵敏度和反应活性的试剂：化学发光剂 L012 和超声增敏剂 IR780。
然后，将它们装载到负载了过氧化钙（CaO2）粒子的脂质体中，以制备出光子产率更高的机械发光纳米粒子（Lipo@IR780/L012/CaO2）。
图丨聚焦超声激活的纳米粒子可以作为时空神经调制的无线光源（来源：ACS Nano）
根据实验结果，利用脑组织中聚焦超声的高能量传递效率，以及这些机械发光纳米粒子对超声的高敏感性，能够在小鼠的大脑浅表运动皮层和中脑腹侧被盖区（ventral tegmental area ，VTA）中，实现有效的光递送，从而激活视蛋白 ChR2 表达的神经元，控制小鼠的行为。
研究人员在行为学研究时，通过无损的刺激方式能够控制小鼠的奖赏、成瘾等行为。王文靓解释说道：“在未来，该技术也可以开发用于减肥，例如，人们想减肥但又不想运动，我们就可以通过这种无创、远程控制特定的神经环路的方式来解决该问题。”
他们发现该技术可以有效激活神经元，并具有小于 4 毫秒的响应延迟，符合实际的应用需求。“当时非常激动，也第一时间和王老师分享了这个好消息。”王文靓说道。
图丨聚焦超声触发的蓝光发射和神经元激活（来源：ACS Nano）
需要了解的是，在神经调控领域，响应速度和灵敏度至关重要。神经元的放电频率是神经源或大脑区域之间沟通的重要方法，因此它相当于一种大脑区域之间沟通的“语言”。得益于该纳米体系优异的超声响应速度和灵敏度，我们能够实现对神经元有效的控制。
例如，通过 20 赫兹实现小鼠有效的小幅度动作调控（转圈），以及用于阿尔兹海默症的治疗。已有研究证实，以 40 赫兹激活内侧间隔小蛋白神经元，能够恢复海马体的伽玛振荡，从而减缓阿尔兹海默症的病状[4]。
图丨小鼠 VTA 时空调节的体内声光遗传学（来源：ACS Nano）
据介绍，该体系相对比较简单，大多使用的都是经 FDA（Food and Drug Administration，美国食品药品监督管理局）批准的原材料。在生物安全性方面，研究人员已经在小鼠通过免疫反应进行神经元调亡的实验，并通过基本的安全性验证。
王辉亮指出，生物安全性较高，意味着该技术具备较高的临床转化潜力。未来往更大的动物模型或人体试验发展，则会提出更多的安全性要求。
“千里马常有，而伯乐不常有”
王辉亮课题组的研究方向为神经科学研究和临床疾病中神经接口的纳米材料、电子学和声光遗传学技术的开发。王文靓是其实验室的第一位博士后，他见证了初期的艰苦时刻和科研成果的快速发展。
2021 年 1 月，王辉亮在筹备建立实验室时，正好赶上一场暴雪导致奥斯汀的很多房屋都漏水、停电，新实验室的装修无法按计划进行。“屋漏偏逢连夜雨” ，彼时又赶上新冠疫情，很多实验不能马上展开。
但是王辉亮并没有因此停下来，在实验室筹备阶段，他找到系里其他教授借实验室空间推进相关课题。直到 2022 年 1 月，王辉亮才搬进了自己的实验室，比原计划晚了整整一年时间。
图丨王文靓（左）与王辉亮在实验室（来源：该团队）
对于一位刚成立实验室的 PI 来说，招收到理想的博后并不容易。“文靓完全超乎我的预期，没想到我实验室的第一位博士后就这么靠谱。他效率特别高，能够全身的投入到研究中。并且，他经常提出非常好的学术想法。”王辉亮说道。
王文靓在博士毕业后加入美国约翰霍普金斯大学，开展了 2 年的神经病理学博后学习，但在学习研究的工程中，他发现自己对神经工程更感兴趣。而王辉亮不仅有神经科学的经历，还在神经工程和学科交叉方面有丰富的技术和经验积累。
王辉亮在英国牛津大学获得材料学的本科和硕士学位，博士期间，他在斯坦福大学以纳米材料和柔性电子为主要研究方向，博士导师是美国国家工程院院士鲍哲南教授。
然后，在光遗传学先驱斯坦福大学卡尔·戴瑟罗斯（Karl Deisseroth）教授课题组从事博后研究，并在此期间与斯坦福大学洪国松团队合作开发出声光遗传学技术。基于博士和博后期间的科研成果，他成为《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”2021 年中国区入选者之一。
王文靓表示，王辉亮和他亦师亦友。“王老师的思维非常活跃，并具有很高的学术眼界和追求。最为关键的是，从来他不会把博士生和博后当做数据机器，而是给予了充分的尊重和信任。”
他继续说道：“每次讨论都能够耐心地听完我的一些想法，再给出各种建设性的意见去帮助我提升自己的学术视野。同时，对于个人未来的职业发展，也给予充分的支持。千里马常有而伯乐不常有，我很感谢能在王老师的指导下开展研究工作，也希望能和他一起完成声光遗传学长远的规划。”
据悉，该团队计划把该技术运用到更大的动物模型和人体临床试验。王辉亮表示，希望把声光遗传学发展成为治疗帕金森病效果更佳、更无损的神经调控方法，并拓展到治疗中风、自闭症、阿尔茨海默病等疾病。
参考资料：
1. Wang,W. et al.Ultrasound-Induced Cascade Amplification in a Mechanoluminescent Nanotransducer for Enhanced Sono-Optogenetic Deep Brain Stimulation. ACS Nano, 17, 24, 24936–24946 (2023) .
2. Wu,X. et al.Sono-optogenetics facilitated by a circulation-delivered rechargeable light source for minimally invasive optogenetics.PNAS,116 (52) 26332-26342 (2019).
3. Wang,W. et al.Ultrasound-Triggered In Situ Photon Emission for Noninvasive Optogenetics. Journal of the American Chemical Society (JACS), 145,2,1097-1107(2023).
4. Iaccarino H.F. et al. Gamma frequency entrainment attenuates amyloid load and modifies microglia. Nature, 540, 230-235 (2016).
运营/排版：何晨龙
几种常用的应急通信技术手段对比与浅析
中国集群通信网：几种常用的应急通信技术手段对比与浅析
信息时代，通信已经成为人们工作、生活中不可或缺的重要组成部分。尤其在重大自然灾害发生时，更加凸显出通信的关键作用。作为和水力、电力一样的重要基础设施，通信是报告灾情、组织实施救援必不可少的技术手段。可以说，保障灾难发生后的通信畅通，就是保住了灾区救援、尽量降低灾害损失的生命线。
出现突发性紧急情况时，综合利用各种通信资源，保障救援、紧急救助和必要通信所需的通信手段和方法，被人们称作“应急通信”。应急通信并不是独立存在的新技术，而是很多技术在应急方面的特殊应用。面对不同的紧急情况，需要的应急通信技术手段也不尽相同。
一个完整的应急通信过程通常涉及应急指挥中心、公众通信网/专用通信网、现场三个关键环节： 公众通信网/专用通信网是应急通信的网络支撑，用于紧急情况报警、应急指挥中心与现场的通信连接等; 应急通信现场要保障指挥通信，通常以无线方式为主，使用集群、卫星、应急通信车等技术手段，快速部署通信网络，提供通信保障。
就地震、水旱等自然灾害来说，首先要做的一般就是通过应急手段保障指挥通信; 同时，对自然灾害可能引发的通信网络本身故障造成的通信中断，需要启动应急预案，利用各种管理和技术手段尽快恢复通信，保证用户正常使用通信业务。在通信恢复后，需要保障重要通信和指挥通信、应急指挥中心与救援现场间的通信畅通; 及时疏通灾害地区通信网的话务量，防止网络拥塞，保证正常使用; 此外，可通过互联网、短信等通信方式及时向外发布信息。
下面介绍几种常用的应急通信技术手段。
一、卫星通信
卫星通信是地球站之间通过通信卫星转发器所进行的微波通信。面对地震、台风、水灾等自然灾害，卫星通信能够发挥不可替代的重要作用，在陆地、海缆通信传输系统中断，以及其他通信线缆未铺设到之处，它能帮助人们实现信息传输。由于受自然条件的影响极小，因此卫星电话等通信手段可以作为主要的救灾临时通信设备。
卫星通信工作在微波波段，主要用于长途通信，利用高空卫星进行接力通信。
通信卫星通常可分为同步通信卫星和非同步通信卫星。其中，高轨道同步通信卫星是运行在约36000km上空的静止卫星。位于印度洋、大西洋、太平洋上空的三颗同步卫星，信号基本可以覆盖全球。卫星的高度高，要求地球站发射机的发射功率也要大、接收机灵敏度要高，天线增益高。一些覆盖一个地区或国家的通信卫星高度则可以低一些。
非同步通信卫星为运行在500～1500km上空的非静止通信卫星，采用多颗小型卫星组成一个星座，如果能够实现在世界任何地方上空都能看到其中一颗星，则这个星际通信就可覆盖全球。低轨道通信卫星主要用于移动通信和全球定位系统。
卫星通信的主要业务包括卫星固定业务、卫星移动业务和VSAT业务。
(1)卫星固定业务
卫星固定业务使用固定地点的地球站开展地球站之间的传输业务。提供固定业务的卫星一般使用对地静止轨道卫星，包括国际、区域和国内卫星通信系统，在其覆盖范围内提供通信与广播业务。覆盖我国的国内卫星包括中星1、6、6B、9、20、22号，中国鑫诺1、3号，亚洲1A、2、3S、4号，亚太1、2R号等十几颗静止卫星。
在应对地震等灾害时，带有卫星地球站的应急通信车可以利用国内静止卫星的转发器，给灾区对外界的通信和电视转播提供临时传输通道。
(2)卫星移动业务
卫星移动业务与地面移动通信业务相似，可以提供移动台与移动台之间、移动台与公众通信网用户之间的通信。国际上目前可以使用的卫星移动通信系统主要包括两类: 对地静止轨道(GEO)卫星移动通信系统主要用于船舶通信，也可用于陆地通信，其中波束覆盖到我国的系统有国际海事卫星系统和亚洲蜂窝卫星系统; 非静止轨道(NGEO)卫星移动通信系统目前覆盖全球的只有三个—“铱星”、“全球星”和轨道通信系统。
(3)VSAT业务
甚小天线地球站(VSAT)系统，是指由天线口径小、并用软件控制的大量地球站所构成的卫星传输系统。VSAT系统将传输与交换结合在一起，可以提供点到点、点到多点的传输和组网通信。VSAT系统大量用于专网通信、应急通信、远程教育和“村村通”工程等领域。
地震中，通过临时架设VSAT网络，可以在已修复的移动通信基站或临时架设的小基站与移动交换机之间提供临时通信链路，恢复灾区的移动通信。
二、无线集群通信
无线集群通信源于专网无线调度通信。与专网调度相比，集群调度具有共用载频、共用设施(机房、移动交换机、基站、天线、电源等)、共享覆盖区、共享通信业务、分担费用等优点。
无线集群通信与公众移动电话的不同点在于: 集群通信以组呼为主，用户之间有严格的上下级关系，用户根据不同的优先级占用或抢占无线信道，呼叫接续快(300ms～500ms)，且以单工、半双工通信为主要通信方式。
(1)组呼为主
无线集群通信可以进行一对一的选呼，但以一对多的组呼为主。集群手机面板上有一个选择通话组的旋钮，用户使用前先调好自己所属的通话小组，开机后即处在组呼状态。一个调度台可以管理多个通话小组，在一个通话组内所有的手机均处于接收状态，只要调度员点击屏幕组名或组内某个用户按PTT键讲话，组内用户均可听到。调度员可对部分组或全部组发起群呼(广播)。
(2)不同的优先级
调度员可以强插或强拆组内任意一个用户的讲话，且不同用户有不同的优先级，信道全忙时，高优先级用户可强占低优先级用户所占的信道。
(3)按键讲话
在无线集群通信中，其无线终端带有PTT(Push To Talk)发送讲话键，按下PTT键时打开发信机关闭收信机，松开PTT键时关闭发信机打开收信机。
(4)单工、半双工为主
无线集群通信中为节省终端电池与少占用户信道，用户间通话以单工、半双工为主。
(5)呼叫接续快
从用户按下PTT讲话键到接通话路时间短，但对指挥命令而言，若漏去一两个字，有可能会造成重大事故。
(6)紧急呼叫
无线集群终端带有紧急呼叫键，紧急呼叫具有最高的优先级。用户按紧急呼叫键后，调度台有声光指示，调度员与组内用户均可听到该用户的讲话。
无线集群通信技术在正常情况下，用于公安、交通、大型企业等的通信联络; 在战争、灾难等情况下，则可用于应急指挥、调度。在抗震救灾工作中，无线集群通信可用于指挥、调度灾区的救援、医护、安置、公安、物质供应、后勤等各部门的工作，从而使灾区的抢救工作得以有序进行。
目前，我国正在从模拟集群通信向数字集群通信过渡，常见的数字集群技术体制主要有基于GSM技术的华为GT800、GSM-R，基于CDMA技术的中兴GoTa，摩托罗拉的TETRA等。
三、地面微波通信
微波通信是用微波作为载体传送信息的一种通信手段。微波是指波长1m～1mm或频率为300MHz～300GHz范围内的电磁波。
地面微波中继通信具有通信容量大、传输质量高等优点，但随着光纤通信的出现，微波通信在通信容量、质量方面的优势不复存在。然而，在地震、洪水等自然灾害发生时，常常伴随着通信光缆的断裂; 这时候，微波通信就能够大显身手，通过微波线路跨越高山、水域，迅速组建电路，替代被毁的支线光缆、电缆传输电路，在架设线路困难的地区传输通信信号。另外，在修复公众网基站、架设应急无线集群基站、联通交换机之间的E1电路等方面，地面微波也可以发挥重要的作用。
四、无线电台
无线电台在救灾过程中也能发挥重要作用，其中以城市广播为主。此外，军用无线电台和个人电台(业余电台)同样能发挥作用。
通过城市FM和AM广播，无线电台可以向受灾群众传送外界的关心，同时受灾群众通过收音机也可以了解到当地的受灾和救灾状况。虽然无线电台并不能进行对讲通信，但也能间接起到灾区与外界互动的作用。
通过军用和个人业余无线电台也可以进行应急通信。其中业余无线电台简称业余电台( Amateur Radio station)，是经过国家主管部门正式批准，业余无线电爱好者为了试验收发信设备、进行技术交流和探讨、通信训练和比赛而设立的电台，只设收信设备者为业余收信台，简称“SWL”(Short wave listener)。目前在全世界范围约有300多万部业余无线电台，且绝大部分是个人业余电台。
短波电台受自然条件影响很小，因此可以作为重要的救灾临时通信设备。短波在应急通信中非常适用: 适合县乡一级的应急通信需要，不需依靠额外的传输介质，且传输距离可达几百公里，机动性好、成本低。
要建立一套全方位、立体的应急通信体系，需要充分利用各项技术的优势，针对不同需求，灵活组织协调。目前，应急通信体系建设已经在全球范围获得了各国政府的高度重视。ITU、IETF、ATIS等国际标准化组织也在积极进行应急通信相关标准的研究。我国也正式启动了应急通信相关标准的研究，针对个人紧急情况和公众紧急情况分析应急通信的需求，对紧急业务路由和定位、公网支持应急通信、集群通信、视频监控、无线自组织、安全等各个方面进行研究。
中国集群通信网，请搜索微信公众号（PttCn）添加中国集群通信网关注。
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