微创脑机接口、感觉神经假体……科学家介绍脑科学“黑科技”

神经调节技术，让你产生原本不存在的感觉；一种纳米材料，能让你“看见”声音；一根柔若无骨的“针”，却能自动进入大脑深部，实现人机互联……这些并不是科幻小说中天马行空的想象。

近日，在天桥脑科学研究院与《科学》杂志联合举办的一场在线会议上，来自世界各地的6位脑科学研究领域的顶级科学家介绍了神经调节与脑机接口技术最前沿的进展。

来自加利福尼亚大学戴维斯分校电子与计算机工程学系教授Weijian Yang，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。他发现，激发神经元集群中特殊的神经元，能够改变动物的行为。

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，适用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。

另外，科学家们已经观察到，“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的团队提出了声学靶向化学遗传学概念，通过声-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。未来，他们将在材料开发上进一步深入研究，希望对动物、乃至人的非侵入性神经调控成为可能。

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研究员陶虎教授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高通量、低创伤、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“。

陶虎进一步表示，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。他期望在不久的将来，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。

来自苏黎世联邦理工学院卫生科学与技术学院教授Stanisa Raspopovic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。在神经调控技术协助康复的方向上，Raspopovic介绍了几个颇为令人兴奋的解决方案，其中之一就是感觉神经假体。

他说，科学家可以在假肢上增加传感器，并将电极置入神经残端，传感器接受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。”Raspopovic说。

同时，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团队提出一套解决方案，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，从而能更好地照顾自己。

“不过，这些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的问题。”Raspopovic总结道，服务于临床的神经技术将推动更健康的老龄化社会发展，使每一个人都能享受有意义的生活。

德国弗莱堡大学医学中心神经外科教授Carola Haas则介绍，大脑的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。而利用低频电刺激可以用来治疗颞叶内侧癫痫，与高频电刺激相比，可以让大脑注入的电流更小，这一发现在未来可能成为临床上更有效、安全的癫痫治疗方案。