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大脑控制的未来...

日期:2019-10-08 14:53:32 来源: 中国生物技术网 点击:

纵观历史,跨领域技术融合的发展会周期性地达到一个临界点,并由此产生了突飞猛进的科技进步,如艾伦大脑图谱和人类基因组计划。

近日,发表在《Nature Biotechnology》的一篇名为“大脑中的精密电子医学(Precision electronic medicine in the brain)”的研究中,来自美国哈佛大学医学院和麻省总医院的两位科学家Charles M. Lieber和Shaun Patel认为,神经技术目前正处于崛起的风口浪尖。

Patel说:“下一个前沿将是人类认知与机器的融合。像Lieber教授开发的网状电子设备是与大脑相关疾病个性化电子疗法的基础。一切从根本上都体现在大脑中,包括我们所有的想法、感觉和任何类型的疾病。”

图片来源:《Nature Biotechnology》

目前,科学家们可以确定大脑中决策、学习和情绪产生的区域,但要追踪特定神经元的行为仍然是一个挑战。这意味着,当大脑的复杂回路因成瘾、阿尔茨海默症等神经退行性疾病,甚至自然衰老等精神问题而出现缠结或退化时,医生只有两种选择:药物或植入电极。这两种方法都可能对大脑产生预期之外的影响。在某些情况下,副作用可能会更严重。虽然深部脑刺激的效果是瞬间的,但随时间的流逝,大脑的免疫系统会将坚硬的植入物视为异物,神经免疫细胞(胶质细胞)会吞噬感觉到的入侵者,置换甚至杀死神经元,降低设备维持治疗的能力。

Lieber和Patel认为,当前的技术只是权宜之计。他们在论文中写道:“不断进展的研究集中在神经系统和电子设备之间的接口上,这一领域的研究成果有助于实现细胞水平靶向疗法的植入物。个性化的电子治疗将为神经退行性疾病和神经精神疾病提供新的治疗模式,强有力地控制假肢在退化性疾病、创伤和截肢中的功能恢复, 甚至增强人类的认知能力。总的来说,我们相信,类似组织的电子技术发展将使微创设备能够建立一个稳定的长期细胞神经接口,并为慢性神经系统疾病提供长期治疗。”

为了实现这一目的,Lieber的实验室设计了一种更小、更灵活的脑电子植入物,它可以随着脑组织移动,而不会被视为异物。这个网状电子设备模拟了真实神经元的大小、形状和触觉,可以记录、跟踪和调节单个神经元和脑回路,持续时间长达一年或更久,并且几乎不会引起免疫反应。此外,Lieber的电子设备已经展示出自己一个有价值的功能,它可以“鼓励”神经元迁移,潜在地引导新生神经元到达受损区域,比如中风造成的脑损伤。

研究人员表示,这意味着该技术最终可以跟踪特定神经亚型的交流方式,从而可以得出更清晰且更精确的大脑通讯网络图。有了更高分辨率的靶点,未来的电极可以更高精度地工作,从而消除了不必要的副作用。而且,Patel表示,它们可以被调整来治疗任何神经系统疾病。

Lieber和Patel期望,接下来的工作重点是高度灵活的网状探针,它具有高密度的记录和刺激电极,可以与成熟的硅基处理器芯片连接,最终实现无缝的“神经-电子系统”, 甚至还可以治疗阿尔茨海默症等大脑疾病。

图片来源:《Nature Biotechnology》

他们说,在那之后,自适应电极可以对假肢甚至瘫痪的肢体提供更好的控制,并且随着时间的推移,可能会起到神经替代品的作用,替换损坏的电路以重建损坏的通信网络并根据实时反馈进行重新校准。

Lieber说:“如果你能以一种精确而长期的方式进行互动,并提供反馈信息,你就可以真正与大脑进行交流,就像大脑内部的交流一样。”

网状电子设备仍然有几个主要的挑战需要克服:增加植入电极的数量、处理植入电极传输的海量数据流,并将信息反馈到系统中以实现实时校准。

Lieber说:“我经常开玩笑说,我这样做是因为我的记忆力比以前差了一点,这是自然的衰老现象。但这一定是不可避免的吗?找个对治的方法呢?”

Patel说:“这项技术的潜力是巨大的。在我看来,它正处于开始阶段,就像晶体管与无线通信到来之前那样。”



(责任编辑:tqh)

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