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#船长专栏#麻省理工发力神经尘埃,何时才能破解大脑的秘密?

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海创船长 海创船长 发表于

摘要: 麻省理工用来检测多巴胺的技术或可真正移植到神经尘埃的研发当中去,而其深入大脑、破解大脑的秘密之日,或许也将不再遥远。

图片来源:视觉中国

图片来源:视觉中国

对人类来说,神经系统可谓至关重要。你想动动手或动动腿,都得通过大脑对神经的控制才能实现。一旦控制某个部位的神经遭到了破坏,就很难恢复,这就导致很多残疾症状的出现。

为了应对神经遭到破坏的问题,人们找了许多方法。比如为了让假肢能够受人的控制,科学家们研制出了仿生手,通过将电极与手臂的神经末梢相连,从而可以利用神经控制假肢。

这种方法无疑是开创性的。但如果仅仅是为了恢复假肢功能而对神经进行干预,应用范围未免有点太过于狭窄。相较于残疾,更多的人在遭受着大脑疾病的折磨,中风、阿兹海默症、癫痫等等。而且,关于大脑的研究显然也是人们比较热衷的方向。

既然可以连接手臂的神经末梢,那么有没有某种植入物能够深入大脑内部呢?这种仿生手的电极显然不行,毕竟大脑不是别的,那么大的东西万一病没治好再引起其他症状就得不偿失了。

那么,考虑到大脑的脆弱性,一种前所未有的神经植入物概念被科学家们提了出来,这就是:神经尘埃。

1毫米也太大:神经尘埃究竟要多小?

神经尘埃第一次大规模走入人们的视线,是2016年加州大学伯克利分校的工程师和其他研究者一起在《神经元》杂志上发表的一篇论文。在该论文中,工程师们披露其已经开发出了一种沙粒大小的微型传感器,利用超声波,其可以为神经尘埃植入物提供动力和传输数据。

当然,这种传感器的受试“者”还是小老鼠。研究者们已经成功在老鼠的肌肉、神经组织中植入了神经尘埃。

伯克利此举意味着:神经尘埃已经初步从概念走进了现实,假以时日,其将很有可能进入到人体当中,实现对人的身体进行监测和防治疾病的可能。

而在伯克利发表此项研究之后的6个月后,2017年2月,马斯克宣布投资一家名为neural link的公司,表示打造“神经织网”,意图把人体打造成为一个遍布电子元件的半机械人。神经织网是由纳米级的超细材料构成,其可以与人的大脑无缝连接,从而将生物与电子结合起来。

不久之后,研制出沙粒大小的神经尘埃传感器的科学家们,差不多就被马斯克给归拢了……

尽管伯克利的科学家们做出了一个开创性的举动,但对神经尘埃真正进入人体来说,也只是刚刚走完了第一步。其开发的产品至少还需要满足两点才能适应人体内的工作要求。

第一,体积问题。很多人认为,神经尘埃要想进入人体,直径必须要控制在1毫米以内、乃至50微米才相对来说会比较安全,而这般大小也只能植入肌肉当中;如果要实现大脑的深度植入的话,必须要更小,10微米可能是一个最低界限值。否则的话,其将可能引起植入物周围组织的感染。

第二,体内停留时长。如果按照神经织网的目标奋进的话,神经尘埃是需要在体内长期停留的,十年可以当做是一个起点。目前的电极丝的寿命也仅仅只有数年,过多频次的更换将可能引起其他问题。神经尘埃作为一个新生事物,其能在体内停留多久,还是一个尚待观察的问题。

关于这两个问题,马斯克把伯克利的研究人员给归拢了之后似乎没什么新的进展。但不要紧,因为神奇的麻省理工也出来刷神经尘埃的存在感了。

研究多巴胺,却结出了神经尘埃之花

与伯克利2016年就搞了个大新闻一样,麻省理工显然是一个“潜伏者”。但从一开始,其研究的方向却是测量大脑的多巴胺水平。

2015年的时候,麻省理工学院的研究小组就证明了利用微型传感器是可以测量大脑中多巴胺的水平的。而多巴胺会的分泌会影响人们的瞬间决策。

但问题是一直没有办法找到可以安全地深入大脑中进行监测的探针。他们曾经尝试了直径为100微米的电极来探测,但是这种电极只能维持一天的工作,并且由于体积太大,其会产生瘢痕组织。这样就会影响到电极的工作。

而最终在去年,研究人员开发出了直径只有10微米的探针传感器,并立即在动物身上进行了实验。其在每只的动物的大脑纹状体5毫米深处植入了三到五个传感器,连续测试了393天,中间传感器并没有中断工作。并且,在此过程中也没有发现瘢痕组织的产生,这意味着对传感器周围的组织而言,其实非常安全的。

从这个角度上来说,体积可以达到10微米(研究人员还计划将其做得更小),又不会对周围组织造成损伤,其也就为大脑植入创造了很大的可能。

如上文所说,麻省理工的这项研究是基于研究大脑中多巴胺的分泌而开展的。由于多巴胺的缺乏,帕金森病、抑郁症和精神分裂症等可能会发生。通过这种传感器的长期潜伏式检测,人们将有望找到克服这些疾病的方法。

而这与神经尘埃有什么关系呢?

其实正如伯克利不满足于一毫米的颗粒传感器,麻省理工则是成功地将传感器的大小做到了10微米,并且还在动物体内进行了长达将近四百天的可靠性试验。

同样是对大脑进行传感器植入,麻省理工用来检测多巴胺的技术或可真正移植到神经尘埃的研发当中去,而其深入大脑、破解大脑的秘密之日,或许也将不再遥远。

那么,神经尘埃究竟能给人类的人体带来哪些新的可能?

脑机接口或将取得突破口

拥有了这样一个科幻的名字,“神经尘埃”发起力来,想必是不会让我们失望。比如以下几个领域,其将会有广阔的用武之地。

  • 实现身体全方位的数据监测

目前人类的植入式传感器多位于皮肤表层,很少有深入到脏腑等深层位置。一方面是传感器体积过大会带来排异问题,另一方面也是信号传递可能失败。

而早在伯克利分校的沙粒神经尘埃研究出来以后,其就已经可以实现胃、肠道等器官和神经、肌肉的植入,并且实时读取数据。未来其进入大脑之后,人体的检测数据将有望成为一个整体,以帮助医生进行更好的判断诊疗。

  • 脑机接口或将取得突破

脑机接口技术分为两种,一种是侵入性,另外一种是非侵入性的。由于技术的限制,目前常见的脑机接口方式都是非侵入性的,即通过电极对大脑皮层信号的扫描读取,来进行相应的动作。但在这个过程中受试者必须要全神贯注,否则大脑信号太过杂乱,将大大影响读取效果。

即使这样,电极也仅仅只能捕捉到一部分信号而已。显然,采用电极植入的方式对读取大脑的信号来说更为准确,只是考虑到技术和安全性,这种方式除了为科学献身的狂人之外几乎不会有人尝试。

那么,当神经尘埃成功植入大脑之后,其就可以长期稳定地检测大脑信号,其读取效果远比大脑皮层那微弱的搜集要强得多。无论对机体功能不全者还是全新的人机交互,其显然都蕴藏着极大的能量。脑机接口因此也有可能取得新的技术突破。

  • 神经相关的疾病诊疗

神经尘埃可以用来刺激神经或者肌肉。最简单的例子,很多人夏天晚上洗完脸吹着风扇睡觉,一觉醒来,面瘫了……这就是风吹的过程中受凉的表现,面部神经遭到了损害。幸运的人,吃吃药、热敷或者针灸一下,就好了;不幸的人,可能一辈子就这样了。而如果通过植入神经尘埃对周围神经进行刺激,或者通过模拟信号与原来的神经相连,面瘫治疗可能成为一件非常简单的事情。而诸如癫痫、帕金森、肌肉萎缩、半身不遂等症也有可能得到彻底治愈。

关于神经尘埃看起来虽然比较小众,但它毫无疑问是真正意义上的高精尖技术。也正由于此,只有世界顶级的科学家和研究团队才有能力去从事这项研究。植入会越来越成为医疗发展的一个重要内容,神经尘埃也将把植入推向另一个高潮。

甚至很有可能,未来的人机交互将会成为意念式交互,动嘴都会变成一件麻烦事……想想是不是有点小激动?

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