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科普|神经调控技术如何操控我们的大脑?

第一财经 2022-10-23 18:14:04

作者:钱童心    责编:乐琰

神经调控技术作为一种新兴的前沿技术,是指利用光、磁、电、超声等物理性或者化学手段对中枢神经、周围神经等进行干预,从而发挥激活或者抑制兴奋的调节作用。

近年来,随着技术的迅速发展,科学家越来越多地开始尝试将神经调控技术应用于神经和精神疾病的干预,并尝试通过非侵入的手段治疗脑疾病。

神经调控技术作为一种新兴的前沿技术,是指利用光、磁、电、超声等物理性或者化学手段对中枢神经、周围神经等进行干预,从而发挥激活或者抑制兴奋的调节作用,让人产生原本不存在的感觉。

近日,来自神经科学领域多位全球顶尖科学家在天桥脑科学研究院(TCCI)与《科学》杂志联合举办的年度会议上,介绍了神经调节与脑机接口技术最前沿的进展,这些技术有别于传统的深部脑刺激(DBS)等,聚焦光遗传学等新兴的神经调控技术领域。

光遗传学方兴未艾

来自美国加州大学戴维斯分校(UC Davis)电子与计算机工程学系教授杨暐健正在利用先进光学技术监测手段,在神经元集群水平上进行神经调控。神经元集群(ensemble)是指在时间和空间上发生共激活的一组神经元,集群间的协调活动是大脑认知与行为的基础。

杨暐健利用高通量双光子成像显微镜,在非常短的时间内对脑深部的大量神经元活动进行成像观察;同时,借助遗传学手段将特定的光通道蛋白表达在特定神经元中(光遗传学),能够使得科学家利用光来激活或抑制神经元活动。

杨暐健表示,高通量双光子成像与全息光遗传学技术的结合能实现在细胞水平上对神经系统的同时“读取“和”写入”,是对神经环路进行解剖的有力工具,二者结合将把神经科学研究带入崭新时代。

除了光学手段,声波在脑科学研究中也有着无限潜力。相比于光,声波和磁场对组织有更好的穿透力,例如根据神经血管耦合原理,通过超声检测微血管血流动力学变化,可间接测出神经元的活动变化。

来自加州理工学院化学工程系的Mikhail Shapiro教授正在用超声技术对黑猩猩进行实验:他在大猩猩头部放置的超声探头,通过检测血流动力学改变测得神经元的活动变化,这种超声信号在大猩猩做出行为反应之前就已能预测它们的活动意图,为开发无创脑机接口提供了可能。

Shapiro教授团队还提出了声学靶向化学遗传学概念,原理是在细胞类型特异性前体的引导下,使特定细胞表达化学受体,令特定区域对特定药物的敏感性增强。利用这项技术,超声将能成为一种非侵入性的脑部药物递送工具。

美国斯坦福大学材料科学和工程学系教授洪国松则结合了光与声波,聚焦声波-视觉交互作用在神经调节上的应用,提出了声-光遗传学技术的新想法,聚焦超声在脑局域中产生的光学信号可以对大脑进行“扫描”,红外激发信号能进行无创神经调控;结合两者,他们将在材料开发上进一步深入,希望未来对动物、乃至人的非侵入性神经调控成为可能。

脑机接口用于神经康复治疗

来自苏黎世联邦理工学院卫生科学与技术学院的Stanisa Raspopovic教授正在研究一种用于神经康复的脑机接口技术,例如感觉神经假体,通过在假体上增加传感器,并将电极置入神经残端,传感器接受的外界信号通过神经残端进入大脑,让大脑可以协调步态活动。在实际试验中,失去单侧肢体的患者能精准地定位到假肢上的哪个部位受到了刺激。

德国弗莱堡大学医学中心神经外科教授Carola Haas介绍了一种低频电刺激技术,在不影响海马体功能前提下,能够更安全地治疗癫痫发作。

Haas教授表示,传统治疗癫痫的药物手段缺乏空间特异性,也有很多副作用,而手术治疗又会破坏脑功能,并且这种破坏效应是不可逆的。现在利用低频电刺激(low frequency stimulation,LFS)来治疗颞叶内侧癫痫,与高频刺激相比,LFS对大脑注入的电流更小,电同步过程更加自然。在小鼠上进行的试验表明,LFS小鼠与未受刺激的同窝小鼠具有相似的焦虑水平;也不会干扰空间记忆的形成。这些发现有望转化为临床上更有效、安全的局灶性癫痫治疗方案。

一位资深神经调控领域的研究员对第一财经记者表示:“神经调控领域技术在临床上已经有了丰富的进展和落地应用,每天都有数万病人受益于相关治疗。对于像光遗传学这样的新技术而言,仍在转化的过程中,虽然很有潜力,但更需要时间来打磨,同时也应该更多地通过科普宣传引起更多人的关注以及资本和人力的投入。”

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