用手機操控腦細胞

文/魯婧涵

第一臺用于慢性腦藥物傳輸和光遺傳學的無線神經裝備誕生。這臺裝備是先進電子設計和微納米工程的成果。它將加速發現帕金森癥、阿爾茨海默病、成癮、抑郁和頭痛等腦部疾病。

在一項發表于《自然·生物醫學工程》的研究中，由韓國高級科學技術研究院和華盛頓大學神經科學家組成的研究團隊發明了一種新設備，可以通過智能手機控制的微型大腦植入物來控制神經回路。

向大腦輸送藥物和光線

在現代生物學研究中，為了理解神經元的功能、幫助尋找針對神經疾病的藥物，科學家往往需要直接向活體動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生物體的后續影響，即通過藥物理解不同的腦細胞在特定生理活動、行為認知中的作用、特定藥物對大腦的影響，以及進行光遺傳學研究。光遺傳學是一門新興的生物技術領域，神經科學家可以往受試者的神經元注入視蛋白基因，然后利用光線控制活體組織中的神經元。

向大腦傳輸藥物和光的傳統方法通常會利用剛性金屬管和光纖。因此，受試的腦部需始終連接設備線。這種方法除了會限制受試者的活動，隨著時間的推移，相對堅硬的傳統設備也會導致大腦軟組織損傷，因此并不適合長期植入。

雖然科學家對傳統方法做了一些改進——利用結合軟探針和無線平臺改良設備，減輕生物體的不良組織反應——但仍無法實現長時間的藥物輸送（傳統設備的術后壽命為2周）。

因此，實現長期的無線藥物傳輸是科學家必須解決的關鍵挑戰。

在最新研究中，韓國高級科學技術研究院和華盛頓大學的科學家聯合打造了首款可以在大腦中長時間傳輸藥物和光線的獨立無線神經裝置。

這款神經裝置由樂高式的可替換藥盒、一個柔軟的超薄探頭以及一個由智能手機控制的藍牙無線模塊組成。

厚度相當于人類頭發的探頭包含微流體通道和小型LED(比一粒鹽還小)，把藥盒裝配到小鼠的大腦植入物中。

研究人員稱之為“無線光流控腦探頭”。它能夠將四種不同的藥物和兩種不同波長的光（藍光與橙光）傳輸到活體小鼠的腦組織深處。其中，神經器件是光流控的；藥物輸送則通過加熱器的熱驅動實現。

由于可替換藥盒的存在，神經科學家不用擔心藥物耗盡。再加上輕盈的設計，他們可以在超過半年的時間內連續研究大腦回路。

通過智能手機的界面控制，研究人員可以通過編程，在10～100米的范圍內遠程控制加熱器與調節LED光波長，從而向受試腦部輸送特定的光與藥物組合。

“我們試圖讓無線腦控制變得盡可能簡單。這種微型神經裝備具有強大的藍牙芯片，因此無需任何特殊、笨重和昂貴的裝置。”KAIST的電氣工程教授Jae-Woong Jeong說。

通過該裝備，研究人員可以很輕松地進行全自動化動物研究，通過有條件地控制光和/或藥物傳遞，對動物的行為產生正面或負面影響。

局限與前景

研究人員希望，這一突破能加速神經科學、生物技術、制藥、健康等領域的創新。

“我相信，在不久的將來，神經科學實驗室和制藥公司可以利用我們的研究成果縮短確定藥物療效的時間，并幫助找出長期使用某種藥物的副作用。”研究的主要作者，KAIST研究員Raza Qazi說。

華盛頓大學醫學院的Michael Bruchas教授強調了該裝置在臨床上的應用潛力。“它讓我們能夠更好地剖析行為的神經回路基礎，以及大腦中特定神經調節器的作用，”Bruchas說，“我們也渴望將該設備用于復雜的藥理學研究，幫助我們開發新的治療疼痛、成癮和情緒障礙的方法。”

不過，該設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用場景。但是，研究人員表示，他們可以多次向目標神經回路輸送相同的液體，以補償所需的劑量。

另外，盡管小鼠可以容忍這些頭戴式裝置，但在好動的小鼠身上，裝置有可能從頭部脫離。這也限制了該裝置進入神經系統空間關鍵位置的能力。在這一點上，該設備與完全可植入裝置不同，后者的整個系統可以植入皮膚下。

研究小組將繼續研究這一裝置，希望最終將其應用于特定的臨床研究。