第一臺(tái)用于慢性腦藥物傳輸和光遺傳學(xué)的無(wú)線神經(jīng)裝備誕生。這臺(tái)裝備是先進(jìn)電子設(shè)計(jì)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(xiàng)發(fā)表于《自然·生物醫(yī)學(xué)工程》的研究中，由韓國(guó)高級(jí)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(duì)發(fā)明了一種新設(shè)備，可以通過(guò)智能手機(jī)控制的微型大腦植入物來(lái)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(duì)神經(jīng)疾病的藥物，科學(xué)家往往需要直接向活體動(dòng)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(duì)生物體的后續(xù)影響，即通過(guò)藥物理解不同的腦細(xì)胞在特定生理活動(dòng)、行為認(rèn)知中的作用、特定藥物對(duì)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(mén)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(huì)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(huì)限制受試者的活動(dòng)，隨著時(shí)間的推移，相對(duì)堅(jiān)硬的傳統(tǒng)設(shè)備也會(huì)導(dǎo)致大腦軟組織損傷，因此并不適合長(zhǎng)期植入。

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

因此，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的無(wú)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(guó)高級(jí)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(zhǎng)時(shí)間傳輸藥物和光線的獨(dú)立無(wú)線神經(jīng)裝置。

這款神經(jīng)裝置由樂(lè)高式的可替換藥盒、一個(gè)柔軟的超薄探頭，以及一個(gè)由智能手機(jī)控制的藍(lán)牙無(wú)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(lè)高(lego)式可更換藥盒組裝原理圖

研究人員稱之為“無(wú)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(zhǎng)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(guò)加熱器的熱驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

“無(wú)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(jì)，他們可以在超過(guò)半年的時(shí)間內(nèi)連續(xù)研究大腦回路。

遠(yuǎn)程無(wú)線控制小鼠運(yùn)動(dòng)

通過(guò)智能手機(jī)的界面控制，研究人員可以通過(guò)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(zhǎng)，從而向受試腦部輸送特定的光與藥物組合。

“我們?cè)噲D讓無(wú)線腦控制變得盡可能簡(jiǎn)單。這種微型神經(jīng)裝備具有強(qiáng)大的藍(lán)牙芯片，因此無(wú)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(shuō)。

手機(jī)操作界面截圖

藍(lán)牙無(wú)線設(shè)備的穿墻操控

通過(guò)該裝備，研究人員可以很輕松地進(jìn)行全自動(dòng)化動(dòng)物研究，通過(guò)有條件地控制光和/或藥物傳遞，對(duì)動(dòng)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(lái)，神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)間，并幫助找出長(zhǎng)期使用某種藥物的副作用。”研究的主要作者，KAIST研究員Raza Qazi說(shuō)。

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。“它讓我們能夠更好地剖析行為的神經(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(shuō)，“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(kāi)發(fā)新的治療疼痛、成癮和情緒障礙的方法。”

不過(guò)，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(chǎng)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(dòng)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(gè)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。