对我们大多数人来说,用电流刺激神经元来人为地“窃取”记忆、感觉和运动,听起来仍然很疯狂。但在一些大脑实验室,这种技术开始让人觉得过时了。作为一个新的评论自然生物技术结论:别坐宝座了,电极,镇上还有很多其他的神经探测器。它们随着光或化学物质的调子跳舞,在某些情况下,它们是双语的。

这里是神经植入物的狂野西部之旅。有些需要基因工程,因为这只在实验动物身上得到了证明。但是,如果历史有任何迹象表明,大脑操纵技术往往不会停留在实验室里。小心,在未来几年内,你可能会看到一些技术逐渐渗透到潜在的人类应用中。

究竟是什么造就了一个好的植入物呢?

公平地说,电极是目前为止最成熟的大脑接口技术。毕竟,我们的神经元主要是通过电子“峰值”(在某些化学物质的帮助下)来闲聊的,几十年来,科学家们一直能够测量并大致解读这种“峰值”。其逻辑是可靠的:一个植入的电极可以“监听”来记录神经系统的颤动,而且越来越强大的软件可以帮助解码它的信号,类似于破解Enigma密码。

一旦我们知道了代码,通过电击将其传回大脑,理论上可以在我们的生物湿件中重现数据。当我们的内在密码被破解——如阿尔茨海默症、重度抑郁症或癫痫——或被切断(如瘫痪),外部输入可以修补神经系统的信息高速公路并恢复功能。

麻省理工学院教授詹姆斯·弗兰克博士、马克-约瑟夫·安东尼尼和波琳娜·安基耶娃认为,问题在于我们最终需要超越传统的植入电极,因为它们不够具体。首先,它们不以复制思想或行动所需的神经元类型和组为目标。结果呢?不想要的和不可预测的副作用。

另一方面,这并不是大脑的工作方式。大脑中的活动模式以多种分辨率出现——单个神经元、神经网络、脑电波——并且有不同的时间。这就像试图通过阅读乐谱来弹奏一段特定的钢琴曲:你必须敲出正确的音符,并以正确的力度和节奏把它们串起来,否则神经“歌曲”听起来就会完全失灵。

作者说,未来成功的大脑探测器,是一种可以整合多个层次的大脑活动。最直接的方法是将电、光、化学、磁等多种功能集成到一个单一的探针中。思想例如,微型神经药物传递系统(miniature neural drug delivery system)可以记录并通过化学方法刺激非人类灵长类动物的大脑深层区域。对于长期植入,它们还必须是柔软的,并且与大脑的生物相容性好,以减少疤痕。

最后,要真正将大脑和电脑连接起来,它们必须是“智能”的闭环设备。这些智能植入设备不是基于预先编程的协议来电击神经元,而是测量大脑活动,并学会只在检测到异常时进行干扰。这样,植入物就不太可能破坏大脑的正常功能——也就是说,它们不会破坏一个人的自我意识和控制感

光遗传学彻底改变了神经科学。这里的诀窍是通过基因将光敏蛋白,即视蛋白插入神经元中。用浅蓝色触发是常见的,但你几乎可以使用整个彩虹——蛋白质形成一个通道,让离子冲进来。这大致就是我们的神经元自然放电的方式,所以光可以作为一个人工触发器来激活或抑制特定的神经元。多亏了光,科学家们已经把人造记忆“写”进老鼠体内,或者干脆擦掉不需要的记忆。

由于该工具需要基因工程,到目前为止,主要推动临床使用的是在盲,因为眼睛很容易接触并自然地处理光线。初步研究已经发现,自然光通过视网膜内的光发生蛋白,可以帮助失明的老鼠“看到”图像,并对图像做出类似正常老鼠的反应,尽管这些蛋白不如我们眼睛里的生物传感器敏感。

也就是说,科学家们一直在努力将这一优雅的技术应用于人脑。一项研究今年的“剪断脐带”(cut the cord)项目开发了一种可以植入头皮下的无线微型化光学植入物。该装置使用的不是电池,而是外部振荡磁场。该团队可以通过数字方式控制光的强度和频率,并微调神经激活。

另一项研究将现有的光遗传学转化为近红外(NIR)波长。与蓝光相比,近红外很容易穿透我们的头骨和脑组织而不散射,使其能够到达大脑深处进行调制。加州大学伯克利分校的研究小组将纳米粒子改造成“灯泡”,将近红外光转化为大脑内传统的光遗传蓝绿光。通过这种方式,研究小组能够通过从头骨外照射近红外光来激活老鼠大脑深处的神经元,瞄准与抑郁有关的神经元释放多巴胺。

作者说:“我们相信,像NIR这样的成就……正在迅速开启无数条发展道路,并为光明的治疗未来铺平道路。”

尚未解决的问题是基因工程,它不是一个简单的问题。尽管基因工程取得了进展,但将携带基因的病毒植入大脑对大多数人来说并不是特别有吸引力。一项研究他希望能在局部将光转化为热,这样就能刺激自然神经元,而不需要额外的一两个基因。另一个想法是首先瞄准较简单的外周神经系统,制造一个位于脊髓顶部的光遗传学无线植入物,以减少慢性疼痛。一个原型已经存在于啮齿类动物身上,但该团队仍在研究人类使用的植入物。

化学

不,我们不是在谈论老一辈植入物,它们会让大脑充满化学物质,比如治疗帕金森症的多巴胺。相反,化学物质主要以两种方式来控制大脑:一是作为专门激活特定神经元的药物,二是作为和光遗传学的组合来控制神经回路。

第一个用例有点像光遗传学。在这里,科学家们不是将光敏蛋白插入神经元,而是将“设计蛋白”插入神经元,只有当匹配的“设计蛋白”药物注入神经元时,它们才会打开通道。这项技术被称为DREADD(由药物专门激活的设计受体),它可以让科学家们对神经网络进行多重控制。更多的编程控制?的方式更好地理解神经元是如何联合起来产生某种行为的。不幸的是,DREADDs也需要基因改变的神经元,到目前为止还没有人尝试将这项技术应用到诊所。然而,如果我们能跨过这个巨大的障碍,理论上你就能吃上一两粒药丸,对特定的神经回路进行量身定制的控制。

第二个连击可能更令人兴奋。一项研究这个月,将药物和光遗传学结合到一个可装载的“光流控”探针中。这种软软的植入物有一个可替换的插入式药物盒,可以重新装载用于慢性化学刺激——多巴胺是最受欢迎的,因为它与抑郁症、帕金森症和运动有关,顶部的光刺激有助于减少对神经组织的损伤。这种植入物可以通过智能手机进行无线控制,侵入性很小,耗电也很少。目前,这种探针被用在动物身上,用来梳理神经网络功能,但是研究小组感兴趣把它移向诊所。

你可能听说过再走路项目该公司使用犹他阵列(Utah Array)这样的大脑植入物,帮助瘫痪的人恢复离线肢体的活动能力。这些微电极使用微加工技术来制造微小的硅基电极,它们激发了新一代探针的灵感,比如Neuropixel它的直径约为10毫米,大约有5枚镍币堆在一起那么大。

也就是说,科学家们已经开始探索软性,可以使电极的生物相容性来延长他们植入物的寿命。因为大脑和硬电极在机械性能上不匹配,硬电极会在植入物周围引发强烈的瘢痕反应,最终导致植入物无用。例如,备受媒体追捧的Neuralink就使用了类似水母的柔软、纤细的电极,可以捕捉小得多的神经元的电活动,理论上可以减少大脑的排斥反应。另一个想法,神经花边,采用一种三明治状的结构,使其能够灵活地适应宿主,并与脑组织整合。在老鼠身上,植入的网状物可以可靠地刺激大脑8个月。

再举一个例子Neurogrid该公司在电极尖端使用生物相容性材料以减少噪音。最近的一项研究发现,这类材料使携带信号的离子更容易在大脑和电极之间传输。因为离子的涌入使神经元“着火”,这意味着这些材料比标准的硅电极更适合与我们的大脑连接。

对作者来说,未来至少是双向的。这些新一代电子植入物的过渡将提供比我们目前拥有的更精确的替代品。但是,当与允许闭环刺激的智能算法结合,以及化学和光遗传学的精确性,我们可能最终能够像演奏乐器一样演奏我们的大脑。

图片来源:christitzeimaging.com/Shutterstock.com

范雪来是一位神经科学家出身的科学作家。她在不列颠哥伦比亚大学(University of British Columbia)完成了神经科学博士学位,在那里她开发了神经退化的新疗法。在研究生物大脑时,她开始对人工智能和所有生物技术着迷。毕业后,她搬到了加州大学旧金山分校,研究以血液为基础的因素,使衰老的大脑恢复活力。她是……

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