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为侵入性脑机接口瑟瑟发抖别怕大脑可以被声控了

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-08-19 作者:责任编辑NO。谢兰花0258

编者按:本文来自微信群众号“脑极体”(ID:unity007),作者:藏狐,36氪经授权发布。

马斯克的脑机接口火了一阵子,果不其然又归于沉寂。原本么,这种侵入式设备感染、意外、电池等都是问题,听着就让人脑阔一痛,只要病情严重的植物人或许中风患者才乐意冒险成为“小白鼠”。

紧随其后的Facebook 运用近红外光来解码脑电信号的可穿戴设备,也被专家们吐槽了一阵子,原因对错侵入式设备的准确性比较有限,无法有用辨分出杂乱的脑电信号。

这么说想要完结黑客帝国就只能枯等啦?科学家们岂是就这么服输的。另一个影响神经活动的技能——声遗传学(sonogenetics),其实一向悄然在试验室里酝酿成长。

2014年,亚利桑那州立大学WilliamTyler从前用超声影响大脑。到了2015年,Nature子刊《Nature Communications》发布了一种能激活特定神经细胞的声遗传技能。但它一向没能像光遗传学技能相同,被巨子们选中并推至群众面前。那么,是什么让它近来开端被海外科技媒体所重视的呢?

站到聚光灯下的sonogenetics,终究能干啥?

曩昔十年间,光遗传学给神经科学带来了一场革新。

经过光来读取和操控神经活动,成为许多试验室研讨大脑根底功用的规范东西。而且越来越多的人们开端信任,它能够医治许多人类疾病,因而也被《Nature Methods》杂志评为曩昔十年中对生物学研讨影响最深的十大技能之一。

但原理类似的声遗传学,即用声响来操控脑部活动,其存在感和学术事例都要少得多得多。要搞清楚二者的差异在哪儿,先来说说后发先至的sonogenetics到底有什么本事。

2015年,Salk 研讨所的副教授Sreekanth Chalasani发文,提出了一种在体内操作神经元和其他细胞的新办法——运用临床上的医学超声波,经过线虫作为载体,将一个能够应对超声波的膜离子通道——蛋白质TRP-4,增加到了线虫的神经元中,这种蛋白质对超声波压力改动很灵敏,然后成功用超声波将其激活。

作者宣称,声遗传学技能在医治疾病方面比光遗传学更有优势。

从理论上看,这项创造的潜力的确不小,由于人体内许多细胞都能应对TRP-4引发的活动。这意味着,超声波理论上能够抵达人体内的任何安排,包含大脑,并经过TRP-4来激活。

不过,其时科学家并没有在动物大脑上试验,无从验证该办法是否真的有用。

但就在前不久,“实锤”呈现了。

美国国立卫生研讨院、卡夫利大脑与心智研讨所和国防高档研讨机构(DARPA)等一起赞助的一项神经学研讨,宣称证明了超声波能被操作用来激活脑神经元,并登上了《nature》期刊。

首要,科学家选用了线虫作为传递设备,并对其进行了“基因改造”,为其神经元中都增加上TRP-4,然后将其引进到功用失调的脑细胞中。

接下来,运用蝙蝠、鲸鱼等动物都难以检测到的超声波频率,成果发现,这些声波实在改动了线虫的活动方向,试验的60分钟时刻内,安全地操作其影响神经活动。

(超声信号改动了线虫的行为)

本是同根生:声遗传学是怎么碾压“长辈”的?

由此咱们能够发现,尽管原理高度类似,但声遗传学相较于以往运用光来操控动物脑细胞的技能而言,其优势是清楚明了的:

首要,声遗传学最大的长处是不需要大脑植入。

在曩昔的二十年里,脑神经研讨所运用的东西是光遗传学,需要在动物大脑深处刺进一根光纤,将光传送到方针区域,然后激活带有感光蛋白的神经细胞。例如,患有帕金森氏病的动物能够经过对脑细胞进行特别规划,使其具有光敏性,然后治好他们的非自愿震颤。而这种手术要将一根探针植入大脑,听起来是不是和马斯克的“大脑缝纫机”相同令人发憷?

而声遗传学只需要将TRP-4等声敏物质传递给脑补的蛋白质,就或许完结准确导向并操控细胞的功用,而且已经在心肌细胞、猪血等上面成功试验了,患者承受起来愈加简单。

(怎么运用超声将声敏药物投递至大脑的准确方针)

其次,在准确度和牢靠度上,声响操控有更好的理论根底。

神经学医治的应战之一,便是牢靠地激活单个神经元,尤其是在更深的脑区域。现在的首要办法正是用侵入性手术来运送特定波长的光,但由于光敏蛋白和光照在脑神经元中很难散布均匀,而且会被大脑和机体其他安排散射掉,因而靠光遗传学操作脑细胞,有时会呈现必定程度的预期外体现。

而超声波则不同,低频声波能够穿过深层和无缺的安排,直接影响大脑内的神经元簇,不存在散射问题。因而,影响大脑深处的一起,也不会影响到人体内的任何其他细胞。试验显现,接连重复690千赫与3兆赫之间的超声波,能够安全地削减缓慢痛苦。

声遗传学的另一个巨大潜力在于,它简直能够操控一切类型的细胞。也便是说,从发生胰岛素到心脏起搏,人体机能都或许因声响而改动。比方研讨人员现在就在测验超声波是否能影响人体的代谢进程,如胰腺细胞的胰岛素排泄。

未来有一天,声遗传学或许能够绕开药物医治,无需脑外科手术,用于医治伤口应激、帕金森氏症、癫痫、运动障碍到缓慢痛苦的各种疾病。比方说去除癌细胞而不影响任何周围的安排,而且没有任何副作用……听上去是不是很影响?

当然,作为一项还在概念验证阶段的技能,“大脑声控”还存在许多bug:

比方,想要将声敏通道,也便是TRP-4蛋白引进特定的人体细胞,和操控线虫可不是一个难度系数。要知道线虫只要302个神经元,用超声波让它们准确地导向神经元,只需要在其间294个神经元中增加TRP-4就能够了。但人类可不像线虫,本身没有TRP-4基因,怎么让声敏蛋白进入大脑的方针区域,还需要人类临床试验进一步探究和验证。

再比方,声波影响水平会不会让神经元应对超出生理规模,然后带来潜在危险,这一点很难评价。其实早在2012年,学界就在评论,让“声遗传学”结合胎儿成像技能,来辅佐先天性遗传疾病的确诊。但这种非侵入性的产前检测有或许发生误导性的确诊,考虑到“胎儿优先”的理念,一向没有打破。

(2005-2015的光遗传相关论文数量)

不过,从它的长辈——光遗传学的开展脚步来看,从2005年试验室诞生广受质疑,到现在在多个范畴得到运用,为许多疾病的医治供给了新思路,乃至对人工智能工业的开展也有奉献,不过短短十几年的时刻。

而一出生就有着很多盟友,比方声敏资料的打破、人工智能剖析才能的引进、获取输出信号的半导体技能等等,在这些超级辅佐之下,靠声响操控大脑和机体,这一天或许会来的比幻想更快。

试想一下,在不远的未来,不需要手术就能在有缺点的心脏上植入起搏器,不打针胰岛素就能够操控血糖水平,乃至按一个按钮就能够缓解癫痫发生,这样的美丽新世界,或许会推翻现在咱们对脑机接口、可穿戴设备的一切幻想,也说不定呢?

尽管暂时还没有科技巨子为sonogenetics开一场冷艳全球的发布会,但它仍然值得咱们在脑海里按下一个“保藏”键。

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