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用手机操控脑细胞!远程操控神经的高科技诞生

可远程操控脑细胞的最新神经装置。(图片来源:Raza Qazi)


第一台用于慢性脑药物传输和光遗传学的无线神经装备诞生。这台装备是先进电子设计和微纳米工程的成果。它将加速发现帕金森症、阿尔茨海默病、成瘾、抑郁和头痛等脑部疾病。


综合撰稿 | 鲁婧涵


近日,在一项发表于《自然·生物医学工程》的研究中,由韩国高级科学技术研究院(Korea Advanced Institute of Science and Technology,KAIST)和华盛顿大学(University of Washington)神经科学家组成的研究团队发明了一种新设备,可以通过智能手机控制的微型大脑植入物来控制神经回路。



向大脑输送药物和光线


在现代生物学研究中,为了理解神经元的功能、帮助寻找针对神经疾病的药物,科学家往往需要直接向活体动物的脑部传输特定的药物与光线并追踪这些药物与光线对生物体的后续影响,即通过药物理解不同的脑细胞在特定生理活动、行为认知中的作用、特定药物对大脑的影响,以及进行光遗传学研究。光遗传学是一门新兴的生物技术领域,神经科学家可以往受试者的神经元注入视蛋白基因,然后利用光线控制活体组织中的神经元。


向大脑传输药物和光的传统方法通常会利用刚性金属管和光纤。因此,受试的脑部需始终连接设备线。这种方法除了会限制受试者的活动,随着时间的推移,相对坚硬的传统设备也会导致大脑软组织损伤,因此并不适合长期植入。


虽然科学家对传统方法做了一些改进——利用结合软探针和无线平台改良设备,减轻生物体的不良组织反应——但仍无法实现长时间的药物输送(传统设备的术后寿命为2周)。


因此,实现长期的无线药物传输是科学家必须解决的关键挑战。


在最新研究中,韩国高级科学技术研究院和华盛顿大学的科学家联合打造了首款可以在大脑中长时间传输药物和光线的独立无线神经装置。


这款神经装置由乐高式的可替换药盒、一个柔软的超薄探头,以及一个由智能手机控制的蓝牙无线模块的组成。


被戴上最新神经装置的小鼠


厚度相当于人类头发的探头包含微流体通道和小型LED(比一粒盐还小),把药盒装配到小鼠的大脑植入物中。


乐高(lego)式可更换药盒组装原理图


研究人员称之为“无线光流控脑探头”(wireless optofluidic brain probes)。它能够将四种不同的药物和两种不同波长的光(蓝光与橙光)传输到活体小鼠的脑组织深处。其中,神经器件是光流控的;药物输送则通过加热器的热驱动实现。


“无线光流控脑探头”组装图像


由于可替换药盒的存在,神经科学家不用担心药物耗尽。再加上轻盈的设计,他们可以在超过半年的时间内连续研究大脑回路。



远程无线控制小鼠运动


通过智能手机的界面控制,研究人员可以通过编程,在10~100米的范围内远程控制加热器与调节LED光波长,从而向受试脑部输送特定的光与药物组合。


“我们试图让无线脑控制变得尽可能简单。这种微型神经装备具有强大的蓝牙芯片,因此无需任何特殊、笨重和昂贵的装置。”KAIST的电气工程教授Jae-Woong Jeong说。


手机操作界面截图

 

蓝牙无线设备的穿墙操控


通过该装备,研究人员可以很轻松地进行全自动化动物研究,通过有条件地控制光和/或药物传递,对动物的行为产生正面或负面影响。



局限与前景


研究人员希望,这一突破能加速神经科学、生物技术、制药、健康等领域的创新。


“我相信,在不久的将来,神经科学实验室和制药公司可以利用我们的研究成果缩短确定药物疗效的时间,并帮助找出长期使用某种药物的副作用。”研究的主要作者,KAIST研究员Raza Qazi说。


论文作者之一,华盛顿大学医学院的Michael Bruchas教授强调了该装置在临床上的应用潜力。“它让我们能够更好地剖析行为的神经回路基础,以及大脑中特定神经调节器的作用,”Bruchas说,“我们也渴望将该设备用于复杂的药理学研究,帮助我们开发新的治疗疼痛、成瘾和情绪障碍的方法。”


不过,该设备目前也面临一些限制。比如,它不能轻易改变大脑植入物的流体输送量和输注速率,这在一定程度上限制了它的应用场景。但是,研究人员表示,他们可以多次向目标神经回路输送相同的液体,以补偿所需的剂量。


另外,尽管小鼠可以容忍这些头戴式装置,但在好动的小鼠身上,装置有可能从头部脱离。这也限制了该装置进入神经系统空间关键位置的能力。在这一点上,该设备与完全可植入装置不同,后者的整个系统可以植入皮肤下。


研究小组将继续研究这一装置,希望最终将其应用于特定的临床研究。


原始论文:

https://www.nature.com/articles/s41551-019-0432-1

参考资料:

https://nypost.com/2019/08/06/scientists-can-now-manipulate-brains-using-smartphones-study/

https://www.psychologytoday.com/us/blog/the-future-brain/201908/scientists-use-smartphone-control-drug-delivery-brain

https://www.sciencedaily.com/releases/2019/08/190805143525.htm



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