近日，發(fā)表在《自然·生物醫(yī)學(xué)工程》（Nature Biomedical Engineering）上的一項研究中，韓國和美國的一個科學(xué)家團隊發(fā)明了一種可以通過智能手機控制的微大腦植入物來操控神經(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、幫助尋找針對神經(jīng)疾病的藥物，科學(xué)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(xù)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(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傳輸藥物和光信號，這需要相對龐大的物理設(shè)備與受試者身體部位連接，并會限制他們的運動。

除此之外，植入物相對堅硬的結(jié)構(gòu)也會隨著時間推移造成軟組織損傷，不適合長期植入。

盡管此前已經(jīng)作出了一些努力，通過結(jié)合軟探針和無線平臺，在一定程度上減輕了不良組織反應(yīng)，但由于無法長時間供藥，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，韓國高級科學(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時間傳輸藥物和光線的獨立無線神經(jīng)裝置。 

這款神經(jīng)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的組成。

樂高(lego)式可更換藥盒組裝原理圖

裝置被稱為“無線光流控腦探頭”（wireless optofluidic brain probes）。它能夠?qū)⑺姆N不同的藥物和兩種不同波長的光（藍光與橙光）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；藥物輸送通過加熱器的熱驅(qū)動實現(xiàn)。

“無線光流控腦探頭”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，可以無限制地給藥和進行光傳輸。再加上輕盈的設(shè)計，他們可以在超過半年的時間內(nèi)連續(xù)研究大腦回路。

2.遠程無線控制小鼠運動

通過智能手機的界面控制，研究人員可以在10~100米的范圍內(nèi)遠程控制加熱器與調(diào)節(jié)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(jīng)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。

手機操作界面截圖

藍牙無線設(shè)備的穿墻操控

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

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：

“這種革命性的設(shè)備是先進的電子設(shè)計和強大的微納尺度工程的成果。我們有興趣進一步開發(fā)這項技術(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：

“這項技術(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，以補償所需的劑量。

另外，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(jīng)系統(tǒng)空間關(guān)鍵位置的能力。在這一點上，該設(shè)備與完全可植入裝置不同，后者的整個系統(tǒng)可以植入皮膚下。

智能手機可用來控制腦細胞，這再一次刷新了我們的認知，同時其中也存在一些不容忽視的問題：

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

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

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