无创植入大脑芯片或能成为现实
无创植入大脑芯片或能成为现实
澎湃新闻记者 季敬杰
帕金森、癫痫、阿尔茨海默病等脑部疾病会造成大脑异常神经元活动，可以通过电刺激来治疗。而作为传统治疗手段的电极植入往往需要开颅手术，可能有损伤风险。近日，一项研究展示了一种无创植入微型电极设备的方案：通过静脉注射，让微型电极“搭乘”着人体自身的免疫细胞，直达大脑病灶。
该研究于近日发表在期刊《自然・生物技术》(Nature Biotechnology)上，作者是一支来自麻省理工学院(MIT)媒体实验室等机构的国际研究团队，研究得到了中国天桥脑科学研究院等机构的支持。通过在小鼠身上进行的实验，他们开创性地展示了一种无需手术、可自主靶向植入的脑部电刺激新方法。
无论是治疗帕金森病的深部脑刺激(DBS)，还是癫痫、抑郁症等疾病的治疗，现有的高效疗法大多依赖于植入式电极。这意味着医生必须进行开颅手术，将电极植入大脑的特定位置。手术本身伴随着感染、出血和组织损伤的风险，给患者带来巨大的生理和心理负担。
而经颅磁刺激非侵入性技术虽然避免了手术，但其空间分辨率却是一大硬伤，无法实现对神经元的精细调控。如何能将电子设备精准送到大脑深处，同时又避免开刀，一直是神经科学和医学领域的一大难题。
为了解决这个问题，研究团队设计了一套巧妙的生物“快递”系统，并将该技术平台命名为“循环电子学”(Circulatronics)。
首先，他们制造了一种亚细胞尺寸的无线电子设备(SWEDs)。这些设备直径仅有10微米左右，比人体的一些细胞还要小，因此可以在纤细的血管中自由穿行。它像一个微型太阳能电池板，能通过外部的近红外光照射来获取能量，并产生电刺激。近红外光可以穿透数厘米厚度的组织，包括头骨和大脑，从而实现对设备的无线供能。
接下来，他们找到一种名为单核细胞的免疫细胞作为电子设备的“快递员”。这类细胞是人体的“巡逻兵”，当身体某处出现炎症时(如阿尔茨海默病、中风、脑肿瘤等多种神经系统疾病中都会出现的脑部炎症)，它们能够穿过血脑屏障，聚集到发炎的部位。
研究人员利用了一种叫做“点击化学”的(Click chemistry)技术，它可以在复杂的生物体系中，将两个特定的分子模块快速、牢固地连接起来。研究人员将这些微型设备牢固地附着在单核细胞的表面，创造出一种“细胞-电子”混合体。
为了验证这一方案的效果，研究人员首先在小鼠大脑的特定区域(腹外侧丘脑核)注射微量物质，诱导了一个局部的炎症模型，模拟了多种脑部疾病的病理状态。随后，他们将这些“细胞-电子”混合体通过静脉注射进小鼠体内。
研究发现，72小时后，这些混合体成功穿过血脑屏障，像被导航一样，精准地聚集在发炎的脑区。而在对照组中，无论是单独注射微型设备(没有细胞“快递员”)，还是将混合体注射到没有炎症的大脑中，都无法观察到设备在目标区域的富集。
当研究人员用一束近红外光从外部照射小鼠头部时，聚集在病灶的微型设备被成功“点亮”，并开始释放微弱的电流。通过检测神经元活动标志物(c-Fos蛋白)和单细胞电生理记录，研究证实，这种方法成功实现了对目标区域周围神经元的精准刺激，精度高达30微米。
“我们的研究结果表明，通过融合电子设备的功能与活细胞的生物运输能力，我们能够实现对大脑的非手术、靶向性神经调控。”作者们总结道，“这意味着未来治疗许多与炎症相关的神经系统疾病，如阿尔茨海默病、中风后遗症、神经性疼痛甚至某些脑肿瘤，或许不再需要开颅手术。”
这项技术的前景远不止于此。理论上，通过更换不同类型的“快递员”细胞(例如靶向肿瘤的CAR-T细胞)，未来有望将这种技术应用于身体其他部位的疾病治疗。
作者们也提醒，这项技术目前仍处于早期动物实验阶段。研究中使用的细胞-电子混合体的靶向效率仍有提升空间，其长期在体内的安全性和稳定性也需要更长时间的观察和更大规模的试验证实。
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