第一臺用于慢性腦藥物傳輸和光遺傳學(xué)的無線神經(jīng)裝備誕生。這臺裝備是先進(jìn)電子設(shè)計和微納米工程的成果。它將加速發(fā)現(xiàn)帕金森癥、阿爾茨海默病、成癮、抑郁和頭痛等腦部疾病。

近日，在一項發(fā)表于《自然·生物醫(yī)學(xué)工程》的研究中，由韓國高級科學(xué)技術(shù)研究院(Korea Advanced Institute of Science and Technology，KAIST)和華盛頓大學(xué)(University of Washington)神經(jīng)科學(xué)家組成的研究團(tuán)隊發(fā)明了一種新設(shè)備，可以通過智能手機(jī)控制的微型大腦植入物來控制神經(jīng)回路。

向大腦輸送藥物和光線

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(xì)胞在特定生理活動、行為認(rèn)知中的作用、特定藥物對大腦的影響，以及進(jìn)行光遺傳學(xué)研究。光遺傳學(xué)是一門新興的生物技術(shù)領(lǐng)域，神經(jīng)科學(xué)家可以往受試者的神經(jīng)元注入視蛋白基因，然后利用光線控制活體組織中的神經(jīng)元。

向大腦傳輸藥物和光的傳統(tǒng)方法通常會利用剛性金屬管和光纖。因此，受試的腦部需始終連接設(shè)備線。這種方法除了會限制受試者的活動，隨著時間的推移，相對堅硬的傳統(tǒng)設(shè)備也會導(dǎo)致大腦軟組織損傷，因此并不適合長期植入。

雖然科學(xué)家對傳統(tǒng)方法做了一些改進(jìn)——利用結(jié)合軟探針和無線平臺改良設(shè)備，減輕生物體的不良組織反應(yīng)——但仍無法實現(xiàn)長時間的藥物輸送（傳統(tǒng)設(shè)備的術(shù)后壽命為2周）。

因此，實現(xiàn)長期的無線藥物傳輸是科學(xué)家必須解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

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(dú)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(jī)控制的藍(lán)牙無線模塊的組成。

被戴上最新神經(jīng)裝置的小鼠

厚度相當(dāng)于人類頭發(fā)的探頭包含微流體通道和小型LED(比一粒鹽還小)，把藥盒裝配到小鼠的大腦植入物中。

樂高(lego)式可更換藥盒組裝原理圖

研究人員稱之為“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(lán)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；藥物輸送則通過加熱器的熱驅(qū)動實現(xiàn)。

“無線光流控腦探頭”組裝圖像

由于可替換藥盒的存在，神經(jīng)科學(xué)家不用擔(dān)心藥物耗盡。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。

遠(yuǎn)程無線控制小鼠運(yùn)動

通過智能手機(jī)的界面控制，研究人員可以通過編程，在10~100米的范圍內(nèi)遠(yuǎn)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(qiáng)大的藍(lán)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(jī)操作界面截圖

藍(lán)牙無線設(shè)備的穿墻操控

通過該裝備，研究人員可以很輕松地進(jìn)行全自動化動物研究，通過有條件地控制光和/或藥物傳遞，對動物的行為產(chǎn)生正面或負(fù)面影響。

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。

“我相信，在不久的將來，神經(jīng)科學(xué)實驗室和制藥公司可以利用我們的研究成果縮短確定藥物療效的時間，并幫助找出長期使用某種藥物的副作用?！毖芯康闹饕髡?，KAIST研究員Raza Qazi說。

論文作者之一，華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Michael Bruchas教授強(qiáng)調(diào)了該裝置在臨床上的應(yīng)用潛力?！八屛覀兡軌蚋玫仄饰鲂袨榈纳窠?jīng)回路基礎(chǔ)，以及大腦中特定神經(jīng)調(diào)節(jié)器的作用，”Bruchas說，“我們也渴望將該設(shè)備用于復(fù)雜的藥理學(xué)研究，幫助我們開發(fā)新的治療疼痛、成癮和情緒障礙的方法?！?/p>

不過，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(bǔ)償所需的劑量。

另外，盡管小鼠可以容忍這些頭戴式裝置，但在好動的小鼠身上，裝置有可能從頭部脫離。這也限制了該裝置進(jìn)入神經(jīng)系統(tǒng)空間關(guān)鍵位置的能力。在這一點(diǎn)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。

研究小組將繼續(xù)研究這一裝置，希望最終將其應(yīng)用于特定的臨床研究。