無創植入大腦芯片或能成為現實
澎湃新聞記者 季敬杰
帕金森、癲癇、阿爾茨海默病等腦部疾病會造成大腦異常神經元活動，可以通過電刺激來治療。而作為傳統治療手段的電極植入往往需要開顱手術，可能有損傷風險。近日，一項研究展示了一種無創植入微型電極設備的方案：通過靜脈注射，讓微型電極“搭乘”著人體自身的免疫細胞，直達大腦病灶。
該研究于近日發表在期刊《自然?生物技術》(Nature Biotechnology)上，作者是一支來自麻省理工學院(MIT)媒體實驗室等機構的國際研究團隊，研究得到了中國天橋腦科學研究院等機構的支持。通過在小鼠身上進行的實驗，他們開創性地展示了一種無需手術、可自主靶向植入的腦部電刺激新方法。
無論是治療帕金森病的深部腦刺激(DBS)，還是癲癇、抑郁癥等疾病的治療，現有的高效療法大多依賴于植入式電極。這意味著醫生必須進行開顱手術，將電極植入大腦的特定位置。手術本身伴隨著感染、出血和組織損傷的風險，給患者帶來巨大的生理和心理負擔。
而經顱磁刺激非侵入性技術雖然避免了手術，但其空間分辨率卻是一大硬傷，無法實現對神經元的精細調控。如何能將電子設備精準送到大腦深處，同時又避免開刀，一直是神經科學和醫學領域的一大難題。
為了解決這個問題，研究團隊設計了一套巧妙的生物“快遞”系統，并將該技術平臺命名為“循環電子學”(Circulatronics)。
首先，他們制造了一種亞細胞尺寸的無線電子設備(SWEDs)。這些設備直徑僅有10微米左右，比人體的一些細胞還要小，因此可以在纖細的血管中自由穿行。它像一個微型太陽能電池板，能通過外部的近紅外光照射來獲取能量，并產生電刺激。近紅外光可以穿透數厘米厚度的組織，包括頭骨和大腦，從而實現對設備的無線供能。
接下來，他們找到一種名為單核細胞的免疫細胞作為電子設備的“快遞員”。這類細胞是人體的“巡邏兵”，當身體某處出現炎癥時(如阿爾茨海默病、中風、腦腫瘤等多種神經系統疾病中都會出現的腦部炎癥)，它們能夠穿過血腦屏障，聚集到發炎的部位。
研究人員利用了一種叫做“點擊化學”的(Click chemistry)技術，它可以在復雜的生物體系中，將兩個特定的分子模塊快速、牢固地連接起來。研究人員將這些微型設備牢固地附著在單核細胞的表面，創造出一種“細胞-電子”混合體。
為了驗證這一方案的效果，研究人員首先在小鼠大腦的特定區域(腹外側丘腦核)注射微量物質，誘導了一個局部的炎癥模型，模擬了多種腦部疾病的病理狀態。隨后，他們將這些“細胞-電子”混合體通過靜脈注射進小鼠體內。
研究發現，72小時后，這些混合體成功穿過血腦屏障，像被導航一樣，精準地聚集在發炎的腦區。而在對照組中，無論是單獨注射微型設備(沒有細胞“快遞員”)，還是將混合體注射到沒有炎癥的大腦中，都無法觀察到設備在目標區域的富集。
當研究人員用一束近紅外光從外部照射小鼠頭部時，聚集在病灶的微型設備被成功“點亮”，并開始釋放微弱的電流。通過檢測神經元活動標志物(c-Fos蛋白)和單細胞電生理記錄，研究證實，這種方法成功實現了對目標區域周圍神經元的精準刺激，精度高達30微米。
“我們的研究結果表明，通過融合電子設備的功能與活細胞的生物運輸能力，我們能夠實現對大腦的非手術、靶向性神經調控。”作者們總結道，“這意味著未來治療許多與炎癥相關的神經系統疾病，如阿爾茨海默病、中風后遺癥、神經性疼痛甚至某些腦腫瘤，或許不再需要開顱手術。”
這項技術的前景遠不止于此。理論上，通過更換不同類型的“快遞員”細胞(例如靶向腫瘤的CAR-T細胞)，未來有望將這種技術應用于身體其他部位的疾病治療。
作者們也提醒，這項技術目前仍處于早期動物實驗階段。研究中使用的細胞-電子混合體的靶向效率仍有提升空間，其長期在體內的安全性和穩定性也需要更長時間的觀察和更大規模的試驗證實。
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