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使用智能手机控制神经细胞,无线脑植入设备加速脑部疾病治疗

谦太祥和 发布于: 2019年8月7日 17时59分8秒 阅读1031次

  近日 Nature Biomedical Engineering 发表了一项来自韩国和美国科学家团队的最新发明,通过使用由智能手机控制的微小脑植入物,成功控制小鼠神经回路,这一发明将推动对大脑健康和疾病中的神经过程研究向前迈出一大步。

  具体而言,该设备能够通过一个很小的非创伤性植入物向大脑回路传递调节输入,而这个植入物反过来又由智能手机蓝牙无线控制。脑部植入物设备使用可更换的药物盒,既可以给药,也可以传输 LED 光线,从而通过药理学和光遗传学实现对神经细胞的调节


小鼠脑植入设备(来源:韩国高等科学技术研究所)

  研究人员表示,这种软神经植入物是第一种能够传输多种药物和光线的无线神经设备。该设备可以加速对脑部疾病的研究和治疗,包括帕金森、阿尔茨海默病、上瘾、抑郁和疼痛。

  一、脑植入设备的挑战

  光遗传学技术是通过基因工程技术将光感蛋白基因转入特定类型的神经细胞,使其在神经细胞表面形成光感离子通道,在不同波长的光照刺激下,光感离子通道会对细胞膜阳离子或阴离子的通过产生选择性,从而实现对神经元选择性兴奋或抑制的目的。

  光遗传学技术使得科学家们仅通过光照,就能实现对神经元毫秒级的操控,不仅为深入理解大脑奥秘、神经系统疾病机制提供了革命性工具,也为多种复杂疾病的治疗带来了光明前景。

  虽然光遗传学技术能够在复杂神经回路环境下精确操纵神经活动,但光照传递仍然是限制其在体内临床应用的主要障碍。如何向大脑深部进行光传递,就成了摆在科学家面前的技术挑战。


光遗传学技术(来源:Stanford University)

  传统的大脑神经细胞调节手段,包括使用带有光纤的刚性金属管或光纤,将药物和光传输到脑细胞。但是,这类设备会使病人的活动受到物理连接的显著限制,这也是当前面临的一个主要问题。

  另一个同样重要的问题,是大多数设备的刚性会造成脑瘢痕,并会随着时间的推移对邻近的脑组织造成创伤,这意味着这类设备通常只能植入很短的时间。减少脑瘢痕发生率的一个方法,是使用软探针和避免有线连接。但是,软性探头需要庞大而复杂的设备进行精细的调节,而无线连接设备中的药物和电能会随着时间蒸发或耗尽,需要频繁重新补充。

  为了解决药物耗尽和有线连接的关键挑战,实现长期无线药物输送和光控调节,来自韩国高等科学技术学院和美国华盛顿大学医学院的研究人员合作发明了一种新型神经装置,可以让神经科学家在几个月内研究同一特定大脑回路而不必担心药物或电量耗尽。

  二、可拆卸的药盒 +APP 蓝牙控制

  最新研究论文的第一作者,韩国高等科学技术学院电气工程学院 Raza Qazi 解释说,“目前的创新可以改变这一切,无线神经装置能够实现以前从未实现过的长期化学和光学神经调节。”

  而这项创新的基本原理也很简单,一个只有人类头发直径大小的柔软且极薄的探针,探头装有微流体通道和比盐粒还小的 LED 发光设备,探针与一个可拆卸的药物盒嵌合,该药物盒即插即用,这也就意味通过只更换药物盒便可以使该植入物几乎长期提供药物。


无线设备照片,实际嵌入大脑的部分是右侧探针部分,尺寸仅为一根头发大小,其中一个非常小的 LED 灯嵌入在探针尖端,可以发出红光和蓝光(来源:Nature Biomedical Engineering)

  研究团队开发的无线设备的特点是可以通过蓝牙进行控制,因此不需要电缆,控制系统也简化为智能手机上一个简单的 APP 用户界面,使得研究大脑的科学家能够远程控制药物输送和光照。


演示蓝牙无线设备的穿墙控制(来源:Nature Biomedical Engineering)

  并且,由于它是由柔软的材料制成,因此对大脑的损害很小。另外,由于药物盒可以随时更换,因此不需要移除无线装置来补充药物,这意味着它可以比传统无线设备连续使用更长的时间

  韩美两组研究人员在这个项目上已经合作了三年多,期间研究了几十种不同的设备设计,最终设计出这种柔软的可植入装置,并在小鼠身上进行了实验,植入设备的小鼠可以自由活动,并且研究团队通过光刺激的实验,成功地控制小鼠在 50 平方米的房间里朝一定方向转圈。

  这款设备还可以促进对动物的完全自动化研究,这样的研究可以使用灯光或药物在特定的实验动物身上引发特定的行为模式,然后观察这种行为如何影响其他动物的行为。

  论文通讯作者之一,韩国高等科学技术学院电子工程学院研究人员 Jae-Woong Jeong 说:“这一革命性的设备是先进的电子设计和强大的微型和纳米级工程的成果。事实上,团队希望进一步完善该设备,以便最终制造出与临床相关的大脑植入物。”

  同为论文通讯作者的华盛顿大学医学院基础研究部麻醉科学家 Michael Bruchas 表示,这项新技术将对多个领域的研究人员大有帮助。它不仅有助于理清大脑的工作,还能提供针对特定疾病的复杂疗法组合。

  “它使我们能够更好地剖析行为的神经回路基础,以及大脑中特定的神经调节如何以各种方式调节行为。我们也渴望将该设备用于复杂的药理学研究,这将有助于我们开发新的治疗疼痛、成瘾和情绪障碍的方法。”

  -End-

  参考:

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

  https://newsroom.uw.edu/news/scientists-manipulate-brain-cells-using-smartphone

  https://www.news-medical.net/news/20190806/Smartphone-controlled-soft-brain-implant-to-treat-brain-disease.aspx

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