用智能手機控制神經細胞，成功操縱小鼠活動

近日Nature Biomedical Engineering發表了一項來自韓國和美國科學家團隊的最新發明，通過使用由智能手機控制的微小腦植入物，成功控制小鼠神經迴路，這一發明將推動對大腦健康和疾病中的神經過程研究向前邁出一大步。

具體而言，該設備能夠通過一個很小的非創傷性植入物向大腦迴路傳遞調節輸入，而這個植入物反過來又由智能手機藍牙無線控制。腦部植入物設備使用可更換的藥物盒，既可以給葯，也可以傳輸 LED 光線，從而通過藥理學和光遺傳學實現對神經細胞的調節。

圖 | 小鼠腦植入設備（來源：韓國高等科學技術研究所）

研究人員表示，這種軟神經植入物是第一種能夠傳輸多種藥物和光線的無線神經設備。該設備可以加速對腦部疾病的研究和治療，包括帕金森、阿爾茨海默病、上癮、抑鬱和疼痛。

腦植入設備的挑戰

光遺傳學技術是通過基因工程技術將光感蛋白基因轉入特定類型的神經細胞，使其在神經細胞表面形成光感離子通道，在不同波長的光照刺激下，光感離子通道會對細胞膜陽離子或陰離子的通過產生選擇性，從而實現對神經元選擇性興奮或抑制的目的。

光遺傳學技術使得科學家們僅通過光照，就能實現對神經元毫秒級的操控，不僅為深入理解大腦奧秘、神經系統疾病機制提供了革命性工具，也為多種複雜疾病的治療帶來了光明前景。

雖然光遺傳學技術能夠在複雜神經迴路環境下精確操縱神經活動，但光照傳遞仍然是限制其在體內臨床應用的主要障礙。如何向大腦深部進行光傳遞，就成了擺在科學家面前的技術挑戰。

圖 | 光遺傳學技術（來源：Stanford University）

傳統的大腦神經細胞調節手段，包括使用帶有光纖的剛性金屬管或光纖，將藥物和光傳輸到腦細胞。但是，這類設備會使病人的活動受到物理連接的顯著限制，這也是當前面臨的一個主要問題。

另一個同樣重要的問題，是大多數設備的剛性會造成腦瘢痕，並會隨著時間的推移對鄰近的腦組織造成創傷，這意味著這類設備通常只能植入很短的時間。減少腦瘢痕發生率的一個方法，是使用軟探針和避免有線連接。但是，軟性探頭需要龐大而複雜的設備進行精細的調節，而無線連接設備中的藥物和電能會隨著時間蒸發或耗盡，需要頻繁重新補充。

為了解決藥物耗盡和有線連接的關鍵挑戰，實現長期無線藥物輸送和光控調節，來自韓國高等科學技術學院和美國華盛頓大學醫學院的研究人員合作發明了一種新型神經裝置，可以讓神經科學家在幾個月內研究同一特定大腦迴路而不必擔心藥物或電量耗盡。

可拆卸的藥盒 APP 藍牙控制

最新研究論文的第一作者，韓國高等科學技術學院電氣工程學院 Raza Qazi 解釋說，「目前的創新可以改變這一切，無線神經裝置能夠實現以前從未實現過的長期化學和光學神經調節。」

而這項創新的基本原理也很簡單，一個只有人類頭髮直徑大小的柔軟且極薄的探針，探頭裝有微流體通道和比鹽粒還小的 LED 發光設備，探針與一個可拆卸的藥物盒嵌合，該藥物盒即插即用，這也就意味通過只更換藥物盒便可以使該植入物幾乎長期提供藥物。

圖 | 無線設備照片，實際嵌入大腦的部分是右側探針部分，尺寸僅為一根頭髮大小，其中一個非常小的 LED 燈嵌入在探針尖端，可以發出紅光和藍光（來源：Nature Biomedical Engineering）

研究團隊開發的無線設備的特點是可以通過藍牙進行控制，因此不需要電纜，控制系統也簡化為智能手機上一個簡單的 APP 用戶界面，使得研究大腦的科學家能夠遠程控制藥物輸送和光照。

圖 | 演示藍牙無線設備的穿牆控制（來源：Nature Biomedical Engineering）

並且，由於它是由柔軟的材料製成，因此對大腦的損害很小。另外，由於藥物盒可以隨時更換，因此不需要移除無線裝置來補充藥物，這意味著它可以比傳統無線設備連續使用更長的時間。

韓美兩組研究人員在這個項目上已經合作了三年多，期間研究了幾十種不同的設備設計，最終設計出這種柔軟的可植入裝置，並在小鼠身上進行了實驗，植入設備的小鼠可以自由活動，並且研究團隊通過光刺激的實驗，成功地控制小鼠在 50 平方米的房間里朝一定方向轉圈。

這款設備還可以促進對動物的完全自動化研究，這樣的研究可以使用燈光或藥物在特定的實驗動物身上引發特定的行為模式，然後觀察這種行為如何影響其他動物的行為。

論文通訊作者之一，韓國高等科學技術學院電子工程學院研究人員 Jae-Woong Jeong 說：「這一革命性的設備是先進的電子設計和強大的微型和納米級工程的成果。事實上，團隊希望進一步完善該設備，以便最終製造出與臨床相關的大腦植入物。」

同為論文通訊作者的華盛頓大學醫學院基礎研究部麻醉科學家 Michael Bruchas 表示，這項新技術將對多個領域的研究人員大有幫助。它不僅有助於理清大腦的工作，還能提供針對特定疾病的複雜療法組合。

「它使我們能夠更好地剖析行為的神經迴路基礎，以及大腦中特定的神經調節如何以各種方式調節行為。我們也渴望將該設備用於複雜的藥理學研究，這將有助於我們開發新的治療疼痛、成癮和情緒障礙的方法。」

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參考：

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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