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从幻想走向科学:人类操纵大脑的条条大路

发布时间：2022-10-26 10:39 来源：脑极体

大脑是人类最重要的器官，同时也是我们身体中最神秘的部分。在大脑中，无数的神经元控制了我们的思想、情感、记忆、行动。可以说，我们的大脑定义了我们是谁。解读大脑、了解大脑的脑科学研究，也被称为除去太空航行与量子科学之外，科学发展的第三条路。

而在多种多样的脑科学研究中，“操纵大脑”可以说是一个核心命题。这个方向中发展出的最核心科研方向，就是我们熟悉的脑机接口。

但是，除了脑机接口之外，操纵大脑就没有其他方式方法了吗？

并非如此。在科幻文化中，我们可以看到作家对操纵大脑的种种设想。从《超体》中以药物刺激大脑，到赛博朋克文化中用电子干涉入侵脑空间。幻想层面，我们有非常多对大脑的操纵可能性。

从幻想走向现实，科学界对于操纵大脑又有哪些探索呢？

10月13到14日，天桥脑科学研究院与《科学》杂志联合举办的年度会议顺利举行。其间，来自世界各地的6位脑科学研究领域的顶级科学家向观众介绍了神经调节与脑机接口技术最前沿的进展。在这场活动中，我们可以充分领略前沿科学中，通往大脑殿堂的种种路径。

条条大路通大脑，条条大路也通向着人类未来的无限可能。

光学之路：

神经元水平的行为操控

来自加利福尼亚大学戴维斯分校电子与计算机工程学系的Weijian Yang教授讲述了利用先进光学技术监测和调节神经元活动方面的研究进展。

神经元集群（ensemble）是指在时间和空间上发生共激活的一组神经元，集群间的协调活动是大脑认知与行为的基础。Yang教授的主要研究内容就是利用光学手段在神经元集群水平上进行神经调控。

（左：光遗传学技术机制；右：双光子显微镜下小鼠在体神经元图像）

高通量双光子成像显微镜可以在非常短的时间内对脑深部的大量神经元活动进行成像观察，而光遗传学技术是指借助遗传学手段将特定的光通道蛋白表达在特定神经元中，使得科学家能利用光来激活或抑制神经元活动。Yang教授团队又进一步开发了全息光遗传学技术，该技术能将激发光源调制成3D形状。

超声对话之路：

无创脑机接口的新希望

除了光学手段，声波在脑科学研究中也有着无限潜力。来自加州理工学院化学工程专业的Mikhail Shapiro教授讲述了他们在超声方面的探索。

相比于光，声波和磁场对组织有更好的穿透力，适于对更大型的动物乃至人类进行研究。根据神经血管耦合原理，通过超声检测微血管血流动力学变化，可间接测出神经元的活动变化。Shapiro介绍了一项实验：在大猩猩头部放置的超声探头可通过检测血流动力学改变测得神经元的活动变化，这种超声信号在大猩猩做出行为反应之前就已能预测它们的活动意图。这种技术为开发无创脑机接口提供了可能。

（在实验猩猩做出动作之前，超声得到的信号已经能反映动作的意图）

另外，科学家们还观察到，聚焦超声具有神经调节作用，这种作用是无创、非侵入性的。基于此，Shapiro教授的团队提出了声学靶向化学遗传学概念，其原理是用超声波来定位希望调节的大脑区域，以聚焦超声暂时打开该位置的血脑屏障，允许病毒载体进入该区域；在细胞类型特异性前体的引导下，使该特定细胞表达化学受体，令特定区域对特定药物的敏感性增强。利用这项技术，超声将能成为一种非侵入性的脑部药物递送工具。

声—光材料之路：

非侵入性神经调控另一种可能

来自斯坦福大学材料科学和工程学系的Guosong Hong教授介绍了声波-视觉交互作用在神经调节上的应用。如前所述，在光遗传学技术中，科学家利用光照来激活或抑制神经元活动；但光对组织的穿透力非常小，如果要穿透厚厚的脑组织，就必须植入侵入性电极。超声对组织的穿透力很强，那么能否有一种研究手段将这两者结合起来呢？这便是Hong教授团队的研究方向：声-光遗传学技术进行神经调节。

（纳米材料在超声聚焦的部位释放光信号，激发神经元）

他的团队发明了一种纳米材料，将该材料注入动物静脉后，当通过离皮肤表面较近的区域就能吸收光能，而在超声聚焦的部位发生放能，利用光信号来激发神经元。利用1064nm波段的红外线，他们成功实现了无创神经调节，光波的发射与否影响着小鼠的活动行为。通过这种被称作声-光遗传学的技术，聚焦超声在脑局域中产生的光学信号可以对大脑进行“扫描”，红外激发信号能进行无创神经调控；结合两者，他们将在材料开发上进一步深入，希望未来对动物，乃至人的非侵入性神经调控成为可能。

柔性脑电极之路：

古老材料新生机

天桥脑科学研究院研究员、中国科学院上海微系统与信息技术研究所（SIMIT）教授陶虎，介绍了在脑机接口设计方面的新进展。他指出，合格的脑机接口应做到：1.高通量；2.低创伤；3.在体内稳定。基于这些原则，他们的团队使用提取出的蚕丝蛋白作为脑机接口材料的基础，命名为“Silktrode”。

该材料能够在极薄而柔性的层面上集成几百上千个电极，在小鼠身上进行的长期试验证明了它的稳定性。此外，利用蚕丝蛋白包裹的柔性电极能实现无需导针的微创植入，在植入过程中能自动躲避血管，避免损伤。陶教授期望在不久的将来，这项技术能应用于肌萎缩侧索硬化症病人，或许能通过脑机接口使患者控制机械臂运动或发出语音。

陶虎教授认为，在柔性电极开发基础上，脑机接口相关的芯片、探针、植入方式、手术机器人、数据和算法的开发，将形成一个综合的技术树，脑机接口在未来将为人类社会带来一场革命。

神经康复：重塑失去的感觉

来自苏黎世联邦理工学院卫生科学与技术学院的Stanisa Raspopovic教授介绍了用于神经康复的脑机接口技术的最新进展。

中风、糖尿病、脊髓损伤等疾病往往会带来严重后遗症，如肢体活动障碍、吞咽困难、疼痛、感觉障碍等等。在神经调控技术协助康复的方向上，Raspopovic教授介绍了几个颇为令人兴奋的解决方案，如：

（1）感觉神经假体。传统的假肢只是固定在患者肢体残端的一个外部装置，没有感觉，难以达到良好的步态控制；而如今科学家在假肢上增加了传感器，并将电极置入神经残端，传感器接收的外界信号通过神经残端进入大脑，让大脑可以协调步态活动。在实际试验中，失去单侧肢体的患者能精准地定位到假肢上的哪个部位受到了刺激，“仿佛假肢是他身体的一部分”。

（感觉神经假体原理示意图）

（2）糖尿病周围神经病变常常伴随感觉缺失，患者无法感觉到皮肤上的机械刺激，即使是“鞋子里的一块石头”都有可能发展为巨大溃疡，甚至发生感染、导致截肢。Raspopovic教授团队提出了NeuroLeg解决方案，通过袜子上的传感器将压力信号传导至近端神经、进入大脑，使患者重拾压力觉、痛觉，从而能更好照顾自己。

（NeuroLeg解决方案）

不过，以上研究都还有许多现实问题需要解决，如，电极放置仍是侵入性的，如何减少手术损伤？电极产生的异物反应如何解决？这些都是在未来需要解决问题。Raspopovic教授总结道，服务于临床的神经技术将推动更健康的老龄化，使每一个人都能享受有意义的生活。

低频电刺激：

更安全的癫痫治疗手段

德国弗莱堡大学医学中心神经外科教授Carola Haas向大家分享了她的研究：低频刺激在不影响海马体功能前提下干扰局灶性癫痫发作。

传统治疗癫痫的药物手段缺乏空间特异性，也有很多副作用；手术治疗又会破坏脑功能且是不可逆的；深部电刺激或许能很好地弥补这两点。颞叶内侧癫痫是一种常见的成人局灶性癫痫，影像学上常见海马硬化。海马区有着重要的功能，传统的高频深部电刺激对海马区可能造成一定的副作用如抑郁、记忆障碍等。Haas教授的主要研究的方向是利用低频电刺激（low frequency stimulation，LFS）来治疗颞叶内侧癫痫，与高频刺激相比，LFS对大脑注入的电流更小，电同步过程更加自然。在小鼠上进行的试验表明，LFS小鼠与未受刺激的同窝小鼠具有相似的焦虑水平；LFS不会干扰空间导航，也不会干扰空间记忆的形成或回忆。这些发现可能可以转化为临床上更有效、安全的局灶性癫痫治疗方案。