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科學家發明用智能手機控制腦細胞的裝置

發布日期:2019-08-30 13:31 來源:科技部
  近日韓國和美國的科學家團隊發明了一種可以使用智能手機控制的微小腦植入物來控制神經回路的裝置。該論文已發表在8月5日的Nature Biomedical Engineering上。
  該裝置使用類似樂高玩具的可替換藥物盒和低功耗強信號的藍牙,可以長時間使用藥物和光線靶向作用于感興趣的特定神經元。
  “無線神經設備能夠實現以前從未實現過的長期化學和光學神經調節。”韓國高等科學技術研究所(KAIST)和科羅拉多大學博爾德分校的研究員Raza Qazi說。
  Qazi說,這項技術大大超過了神經科學家使用的傳統方法,神經科學家通常使用剛性金屬管和光纖來輸送藥物和光。除了由于與龐大設備的物理連接限制受試者的運動之外,它們相對剛性的結構會導致腦軟組織隨時間的損傷,因此使它們不適合長期植入。盡管通過結合軟探針和無線平臺已經進行了一些努力以部分地減輕組織的不良反應,但是先前的解決方案受到它們不能長時間輸送藥物以及其龐大復雜的控制設置的限制。
  為了實現長期的無線藥物輸送,科學家必須解決藥物耗盡和蒸發的關鍵挑戰。來自韓國高等科學技術研究所和西雅圖華盛頓大學的研究人員合作發明了一種帶有可替換藥物盒的神經裝置,這可以讓神經科學家在幾個月內研究相同的大腦回路,而不必擔心藥物用完。
  這些“即插即用”藥筒被組裝成一個用于小鼠的腦植入物,其具有柔軟且超薄的探針(人頭發的粗度),其由微流體通道和微小LED(小于一粒鹽)組成,用于無限的藥物劑量和光的傳輸。
  通過智能手機上簡潔的用戶界面進行控制,神經科學家可以輕松觸發任何植入目標動物的光和藥物輸送的任何特定組合或精確排序,而無需在實驗室內進行實際操作。使用這些無線神經設備,研究人員還可以輕松設置完全自動化的動物研究,其中一只動物的行為可通過有條件地觸發光和/或藥物傳遞而對其他動物的行為產生積極或消極的影響。
  “這種革命性的設備是先進電子設計和強大的微納米工程的結晶,”KAIST電氣工程教授Jae-Woong Jeong說。“我們有興趣進一步開發這項技術,為臨床應用制造腦植入物。”
  華盛頓大學醫學院麻醉學和疼痛醫學與藥理學教授Michael Bruchas說,這項技術將在很多方面幫助研究人員。“它使我們能夠更好地剖析神經回路的行為基礎,以及大腦中特定的神經調節器如何以各種方式調節行為,”他說。“我們也渴望將該設備用于復雜的藥理學研究,這可以幫助我們開發治療疼痛,成癮和情緒障礙的新療法。”
  KAIST的Jeong小組的研究人員開發了可穿戴和植入設備的軟電子設備,華盛頓大學Bruchas實驗室的神經科學家研究控制壓力、抑郁、成癮、疼痛和其他神經精神疾病的腦電路。工程師和神經科學家在連續三年和數十次設計迭代中進行的全球協作使得這種強大的大腦植入物在自由運動的老鼠身上得到了成功驗證,研究人員認為,這可以真正加速大腦及其疾病的發現。 
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