全球今熱點(diǎn)：科普｜神經(jīng)調(diào)控技術(shù)如何操控我們的大腦？

近年來，隨著技術(shù)的迅速發(fā)展，科學(xué)家越來越多地開始嘗試將神經(jīng)調(diào)控技術(shù)應(yīng)用于神經(jīng)和精神疾病的干預(yù)，并嘗試通過非侵入的手段治療腦疾病。

神經(jīng)調(diào)控技術(shù)作為一種新興的前沿技術(shù)，是指利用光、磁、電、超聲等物理性或者化學(xué)手段對中樞神經(jīng)、周圍神經(jīng)等進(jìn)行干預(yù)，從而發(fā)揮激活或者抑制興奮的調(diào)節(jié)作用，讓人產(chǎn)生原本不存在的感覺。

近日，來自神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域多位全球頂尖科學(xué)家在天橋腦科學(xué)研究院（TCCI）與《科學(xué)》雜志聯(lián)合舉辦的年度會議上，介紹了神經(jīng)調(diào)節(jié)與腦機(jī)接口技術(shù)最前沿的進(jìn)展，這些技術(shù)有別于傳統(tǒng)的深部腦刺激（DBS）等，聚焦光遺傳學(xué)等新興的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)領(lǐng)域。

(資料圖)

光遺傳學(xué)方興未艾

來自美國加州大學(xué)戴維斯分校（UC Davis）電子與計算機(jī)工程學(xué)系教授楊暐健正在利用先進(jìn)光學(xué)技術(shù)監(jiān)測手段，在神經(jīng)元集群水平上進(jìn)行神經(jīng)調(diào)控。神經(jīng)元集群（ensemble）是指在時間和空間上發(fā)生共激活的一組神經(jīng)元，集群間的協(xié)調(diào)活動是大腦認(rèn)知與行為的基礎(chǔ)。

楊暐健利用高通量雙光子成像顯微鏡，在非常短的時間內(nèi)對腦深部的大量神經(jīng)元活動進(jìn)行成像觀察；同時，借助遺傳學(xué)手段將特定的光通道蛋白表達(dá)在特定神經(jīng)元中（光遺傳學(xué)），能夠使得科學(xué)家利用光來激活或抑制神經(jīng)元活動。

楊暐健表示，高通量雙光子成像與全息光遺傳學(xué)技術(shù)的結(jié)合能實(shí)現(xiàn)在細(xì)胞水平上對神經(jīng)系統(tǒng)的同時“讀取“和”寫入”，是對神經(jīng)環(huán)路進(jìn)行解剖的有力工具，二者結(jié)合將把神經(jīng)科學(xué)研究帶入嶄新時代。

除了光學(xué)手段，聲波在腦科學(xué)研究中也有著無限潛力。相比于光，聲波和磁場對組織有更好的穿透力，例如根據(jù)神經(jīng)血管耦合原理，通過超聲檢測微血管血流動力學(xué)變化，可間接測出神經(jīng)元的活動變化。

來自加州理工學(xué)院化學(xué)工程系的Mikhail Shapiro教授正在用超聲技術(shù)對黑猩猩進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：他在大猩猩頭部放置的超聲探頭，通過檢測血流動力學(xué)改變測得神經(jīng)元的活動變化，這種超聲信號在大猩猩做出行為反應(yīng)之前就已能預(yù)測它們的活動意圖，為開發(fā)無創(chuàng)腦機(jī)接口提供了可能。

Shapiro教授團(tuán)隊(duì)還提出了聲學(xué)靶向化學(xué)遺傳學(xué)概念，原理是在細(xì)胞類型特異性前體的引導(dǎo)下，使特定細(xì)胞表達(dá)化學(xué)受體，令特定區(qū)域?qū)μ囟ㄋ幬锏拿舾行栽鰪?qiáng)。利用這項(xiàng)技術(shù)，超聲將能成為一種非侵入性的腦部藥物遞送工具。

美國斯坦福大學(xué)材料科學(xué)和工程學(xué)系教授洪國松則結(jié)合了光與聲波，聚焦聲波-視覺交互作用在神經(jīng)調(diào)節(jié)上的應(yīng)用，提出了聲-光遺傳學(xué)技術(shù)的新想法，聚焦超聲在腦局域中產(chǎn)生的光學(xué)信號可以對大腦進(jìn)行“掃描”，紅外激發(fā)信號能進(jìn)行無創(chuàng)神經(jīng)調(diào)控；結(jié)合兩者，他們將在材料開發(fā)上進(jìn)一步深入，希望未來對動物、乃至人的非侵入性神經(jīng)調(diào)控成為可能。

腦機(jī)接口用于神經(jīng)康復(fù)治療

來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院衛(wèi)生科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的Stanisa Raspopovic教授正在研究一種用于神經(jīng)康復(fù)的腦機(jī)接口技術(shù)，例如感覺神經(jīng)假體，通過在假體上增加傳感器，并將電極置入神經(jīng)殘端，傳感器接受的外界信號通過神經(jīng)殘端進(jìn)入大腦，讓大腦可以協(xié)調(diào)步態(tài)活動。在實(shí)際試驗(yàn)中，失去單側(cè)肢體的患者能精準(zhǔn)地定位到假肢上的哪個部位受到了刺激。

德國弗萊堡大學(xué)醫(yī)學(xué)中心神經(jīng)外科教授Carola Haas介紹了一種低頻電刺激技術(shù)，在不影響海馬體功能前提下，能夠更安全地治療癲癇發(fā)作。

Haas教授表示，傳統(tǒng)治療癲癇的藥物手段缺乏空間特異性，也有很多副作用，而手術(shù)治療又會破壞腦功能，并且這種破壞效應(yīng)是不可逆的。現(xiàn)在利用低頻電刺激（low frequency stimulation，LFS）來治療顳葉內(nèi)側(cè)癲癇，與高頻刺激相比，LFS對大腦注入的電流更小，電同步過程更加自然。在小鼠上進(jìn)行的試驗(yàn)表明，LFS小鼠與未受刺激的同窩小鼠具有相似的焦慮水平；也不會干擾空間記憶的形成。這些發(fā)現(xiàn)有望轉(zhuǎn)化為臨床上更有效、安全的局灶性癲癇治療方案。

一位資深神經(jīng)調(diào)控領(lǐng)域的研究員對第一財經(jīng)記者表示：“神經(jīng)調(diào)控領(lǐng)域技術(shù)在臨床上已經(jīng)有了豐富的進(jìn)展和落地應(yīng)用，每天都有數(shù)萬病人受益于相關(guān)治療。對于像光遺傳學(xué)這樣的新技術(shù)而言，仍在轉(zhuǎn)化的過程中，雖然很有潛力，但更需要時間來打磨，同時也應(yīng)該更多地通過科普宣傳引起更多人的關(guān)注以及資本和人力的投入。”

標(biāo)簽： 接口技術(shù) 神經(jīng)科學(xué) 神經(jīng)康復(fù) 血流動力學(xué) 遺傳學(xué)技術(shù)