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Nature子刊:智能手机也能用来操控脑细胞了

2019-08-16 10:08:23 苏州汶颢微流控技术股份679彩票 已读

近日,发表在《自然·生物医学工程》(Nature Biomedical Engineering)上的一项研究中,韩国和美国的一个科学家团队发明了一种可以通过智能手机控制的微大脑植入物来操控神经回路的装置。

研究人员称,该设备可以输送药物,早期发现脑部疾病,如帕金森症、阿尔茨海默症、成瘾、抑郁症和疼痛,并有助于揭示神经疾病的基础。

Nature子刊:智能手机也能用来操控脑细胞了

1.光线和药物追踪

在现代生物学研究中,为了理解神经元的功能、帮助寻找针对神经疾病的药物,科学家往往需要直接向活体动物的脑部传输特定的药物与光线并追踪这些药物与光线对生物体的后续影响,

 

通过药物理解不同的脑细胞在特定生理活动、行为认知中的作用、特定药物对大脑的影响,以及进行光遗传学研究。

 

传统的植入给药方式通常使用刚性金属管和光纤来传输药物和光信号,这需要相对庞大的物理设备与受试者身体部位连接,并会限制他们的运动。

 

除此之外,植入物相对坚硬的结构也会随着时间推移造成软组织损伤,不适合长期植入。

 

尽管此前已经作出了一些努力,通过结合软探针和无线平台,在一定程度上减轻了不良组织反应,但由于无法长时间供药,而且控制设备又大又复杂,依旧受到了限制。

被戴上最新神经装置的小鼠

被戴上最新神经装置的小鼠

在最新研究中,韩国高级科学技术研究院和华盛顿大学的科学家联合打造了首款可以在大脑中长时间传输药物和光线的独立无线神经装置。 

 

这款神经装置由乐高式的可替换药盒、一个柔软的超薄探头,以及一个由智能手机控制的蓝牙无线模块的组成。

乐高(lego)式可更换药盒组装原理图

乐高(lego)式可更换药盒组装原理图

装置被称为无线光流控脑探头”(wireless optofluidic brain probes)。它能够将四种不同的药物和两种不同波长的光(蓝光与橙光)传输到活体小鼠的脑组织深处。其中,神经器件是光流控的;药物输送通过加热器的热驱动实现。

“无线光流控脑探头”组装图像

“无线光流控脑探头”组装图像

这些“即插即用”的药盒被组装成一个用于小鼠的脑植入物,具有柔软且超薄的探针(人类头发的直径),由微流体通道和微小的LED(小于一粒盐的体积)组成,可以无限制地给药和进行光传输。再加上轻盈的设计,他们可以在超过半年的时间内连续研究大脑回路。

2.远程无线控制小鼠运动

 

通过智能手机的界面控制,研究人员可以在10~100米的范围内远程控制加热器与调节LED光波长,从而向受试脑部输送特定的光与药物组合。

“我们试图让无线脑控制变得尽可能简单。这种微型神经装备具有强大的蓝牙芯片,因此无需任何特殊、笨重和昂贵的装置。”KAIST的电气工程教授Jae-Woong Jeong说。

手机操作界面截图

手机操作界面截图

蓝牙无线设备的穿墙操控

蓝牙无线设备的穿墙操控

使用这些无线神经装置,研究人员还可以轻松设置全自动化动物研究,任意一只动物的行为可通过有条件地触发光和/或药物传递而对其他动物的行为产生正面或负面影响。

3.局限与前景

研究人员希望,这一突破能加速神经科学、生物技术、制药、健康等领域的创新。

 

研究通讯作者、KAIST电气工程教授Jae-Woong Jeong说:

 

“这种革命性的设备是先进的电子设计和强大的微纳尺度工程的成果。我们有兴趣进一步开发这项技术,以制造应用于临床的脑部植入物。” 

 

该研究联合通讯作者、华盛顿大学医学院麻醉学、疼痛医学和药理学教授Michael Bruchas说:

 

“这项技术将在许多方面帮助研究人员。这让我们能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器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,这可以帮助我们开发治疗疼痛、成瘾和情绪障碍的新疗法。

 

该设备目前也面临一些限制。比如,它不能轻易改变大脑植入物的流体输送量和输注速率,这在一定程度上限制了它的应用场景。但是,研究人员表示,他们可以多次向目标神经回路输送相同的液体,以补偿所需的剂量。

 

另外,在好动的小鼠身上,装置有可能从头部脱离。这也限制了该装置进入神经系统空间关键位置的能力。在这一点上,该设备与完全可植入装置不同,后者的整个系统可以植入皮肤下。

智能手机可用来控制脑细胞,这再一次刷新了我们的认知,同时其中也存在一些不容忽视的问题:

该装置是否能安全应用于人体试验?应用于人体试验是否符合伦理?在今天的科技时代,若手机被骇客入侵,随意篡改程序,其后果我们无法承担,也无法想象……

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

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