近日，發(fā)表在《自然·生物醫(yī)學(xué)工程》（Nature Biomedical Engineering）上的一項(xiàng)研究中，韓國(guó)和美國(guó)的一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種可以通過(guò)智能手機(jī)控制的微大腦植入物來(lái)操控神經(jīng)回路的裝置。

研究人員稱，該設(shè)備可以輸送藥物，早期發(fā)現(xiàn)腦部疾病，如帕金森癥、阿爾茨海默癥、成癮、抑郁癥和疼痛，并有助于揭示神經(jīng)疾病的基礎(chǔ)。

1.光線和藥物追蹤

在現(xiàn)代生物學(xué)研究中，為了理解神經(jīng)元的功能、幫助尋找針對(duì)神經(jīng)疾病的藥物，科學(xué)家往往需要直接向活體動(dòng)物的腦部傳輸特定的藥物與光線并追蹤這些藥物與光線對(duì)生物體的后續(xù)影響，

即通過(guò)藥物理解不同的腦細(xì)胞在特定生理活動(dòng)、行為認(rèn)知中的作用、特定藥物對(duì)大腦的影響，以及進(jìn)行光遺傳學(xué)研究。

傳統(tǒng)的植入給藥方式通常使用剛性金屬管和光纖來(lái)傳輸藥物和光信號(hào)，這需要相對(duì)龐大的物理設(shè)備與受試者身體部位連接，并會(huì)限制他們的運(yùn)動(dòng)。

除此之外，植入物相對(duì)堅(jiān)硬的結(jié)構(gòu)也會(huì)隨著時(shí)間推移造成軟組織損傷，不適合長(zhǎng)期植入。

盡管此前已經(jīng)作出了一些努力，通過(guò)結(jié)合軟探針和無(wú)線平臺(tái)，在一定程度上減輕了不良組織反應(yīng)，但由于無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間供藥，而且控制設(shè)備又大又復(fù)雜，依舊受到了限制。

被戴上最新神經(jīng)裝置的小鼠

在最新研究中，韓國(guó)高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究院和華盛頓大學(xué)的科學(xué)家聯(lián)合打造了首款可以在大腦中長(zhǎng)時(shí)間傳輸藥物和光線的獨(dú)立無(wú)線神經(jīng)裝置。 

這款神經(jīng)裝置由樂(lè)高式的可替換藥盒、一個(gè)柔軟的超薄探頭，以及一個(gè)由智能手機(jī)控制的藍(lán)牙無(wú)線模塊的組成。

樂(lè)高(lego)式可更換藥盒組裝原理圖

裝置被稱為“無(wú)線光流控腦探頭”（wireless optofluidic brain probes）。它能夠?qū)⑺姆N不同的藥物和兩種不同波長(zhǎng)的光（藍(lán)光與橙光）傳輸?shù)交铙w小鼠的腦組織深處。其中，神經(jīng)器件是光流控的；藥物輸送通過(guò)加熱器的熱驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

“無(wú)線光流控腦探頭”組裝圖像

這些“即插即用”的藥盒被組裝成一個(gè)用于小鼠的腦植入物，具有柔軟且超薄的探針（人類頭發(fā)的直徑），由微流體通道和微小的LED（小于一粒鹽的體積）組成，可以無(wú)限制地給藥和進(jìn)行光傳輸。再加上輕盈的設(shè)計(jì)，他們可以在超過(guò)半年的時(shí)間內(nèi)連續(xù)研究大腦回路。

2.遠(yuǎn)程無(wú)線控制小鼠運(yùn)動(dòng)

通過(guò)智能手機(jī)的界面控制，研究人員可以在10~100米的范圍內(nèi)遠(yuǎn)程控制加熱器與調(diào)節(jié)LED光波長(zhǎng)，從而向受試腦部輸送特定的光與藥物組合。

“我們?cè)噲D讓無(wú)線腦控制變得盡可能簡(jiǎn)單。這種微型神經(jīng)裝備具有強(qiáng)大的藍(lán)牙芯片，因此無(wú)需任何特殊、笨重和昂貴的裝置。”KAIST的電氣工程教授Jae-Woong Jeong說(shuō)。

手機(jī)操作界面截圖

藍(lán)牙無(wú)線設(shè)備的穿墻操控

使用這些無(wú)線神經(jīng)裝置，研究人員還可以輕松設(shè)置全自動(dòng)化動(dòng)物研究，任意一只動(dòng)物的行為可通過(guò)有條件地觸發(fā)光和/或藥物傳遞而對(duì)其他動(dòng)物的行為產(chǎn)生正面或負(fù)面影響。

3.局限與前景

研究人員希望，這一突破能加速神經(jīng)科學(xué)、生物技術(shù)、制藥、健康等領(lǐng)域的創(chuàng)新。

研究通訊作者、KAIST電氣工程教授Jae-Woong Jeong說(shuō)：

“這種革命性的設(shè)備是先進(jìn)的電子設(shè)計(jì)和強(qiáng)大的微納尺度工程的成果。我們有興趣進(jìn)一步開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，以制造應(yīng)用于臨床的腦部植入物。” 

該研究聯(lián)合通訊作者、華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院麻醉學(xué)、疼痛醫(yī)學(xué)和藥理學(xué)教授Michael Bruchas說(shuō)：

“這項(xiàng)技術(shù)將在許多方面幫助研究人員。這讓我們能更好地剖析行為的神經(jīng)回路基礎(chǔ)，以及大腦中特定的神經(jīng)調(diào)節(jié)器如何以各種方式調(diào)節(jié)行為。我們也渴望將該設(shè)備用于復(fù)雜的藥理學(xué)研究，這可以幫助我們開(kāi)發(fā)治療疼痛、成癮和情緒障礙的新療法。”

該設(shè)備目前也面臨一些限制。比如，它不能輕易改變大腦植入物的流體輸送量和輸注速率，這在一定程度上限制了它的應(yīng)用場(chǎng)景。但是，研究人員表示，他們可以多次向目標(biāo)神經(jīng)回路輸送相同的液體，以補(bǔ)償所需的劑量。

另外，在好動(dòng)的小鼠身上，裝置有可能從頭部脫離。這也限制了該裝置進(jìn)入神經(jīng)系統(tǒng)空間關(guān)鍵位置的能力。在這一點(diǎn)上，該設(shè)備與完全可植入裝置不同，后者的整個(gè)系統(tǒng)可以植入皮膚下。

智能手機(jī)可用來(lái)控制腦細(xì)胞，這再一次刷新了我們的認(rèn)知，同時(shí)其中也存在一些不容忽視的問(wèn)題：

該裝置是否能安全應(yīng)用于人體試驗(yàn)？應(yīng)用于人體試驗(yàn)是否符合倫理？在今天的科技時(shí)代，若手機(jī)被駭客入侵，隨意篡改程序，其后果我們無(wú)法承擔(dān)，也無(wú)法想象……

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

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