為侵入性腦機(jī)接口瑟瑟發(fā)抖？別怕，大腦可以被“聲控”了

馬斯克的腦機(jī)接口火了一陣子，果不其然又歸于沉寂。本來(lái)么，這種侵入式設(shè)備感染、意外、電池等都是問(wèn)題，聽(tīng)著就讓人腦闊一痛，只有病情嚴(yán)重的植物人或者中風(fēng)患者才愿意冒險(xiǎn)成為“小白鼠”。

緊隨其后的Facebook 利用近紅外光來(lái)解碼腦電信號(hào)的可穿戴設(shè)備，也被專家們吐槽了一陣子，原因是非侵入式設(shè)備的精確性比較有限，無(wú)法有效辨析出復(fù)雜的腦電信號(hào)。

這么說(shuō)想要實(shí)現(xiàn)黑客帝國(guó)就只能枯等啦？科學(xué)家們豈是就這么服輸?shù)?。另一個(gè)刺激神經(jīng)活動(dòng)的技術(shù)——聲遺傳學(xué)（sonogenetics），其實(shí)一直悄然在實(shí)驗(yàn)室里醞釀生長(zhǎng)。

2014年，亞利桑那州立大學(xué)WilliamTyler曾經(jīng)用超聲刺激大腦。到了2015年，Nature子刊《Nature Communications》公布了一種能激活特定神經(jīng)細(xì)胞的聲遺傳技術(shù)。但它一直沒(méi)能像光遺傳學(xué)技術(shù)一樣，被巨頭們選中并推至大眾面前。那么，是什么讓它近日開(kāi)始被海外科技媒體所關(guān)注的呢？

站到聚光燈下的sonogenetics，究竟能干啥？

過(guò)去十年間，光遺傳學(xué)給神經(jīng)科學(xué)帶來(lái)了一場(chǎng)革命。

通過(guò)光來(lái)讀取和控制神經(jīng)活動(dòng)，成為許多實(shí)驗(yàn)室研究大腦基礎(chǔ)功能的標(biāo)準(zhǔn)工具。而且越來(lái)越多的人們開(kāi)始相信，它能夠治療許多人類疾病，因此也被《Nature Methods》雜志評(píng)為過(guò)去十年中對(duì)生物學(xué)研究影響最深的十大技術(shù)之一。

但原理類似的聲遺傳學(xué)，即用聲音來(lái)控制腦部活動(dòng)，其存在感和學(xué)術(shù)案例都要少得多得多。要搞清楚二者的區(qū)別在哪兒，先來(lái)說(shuō)說(shuō)后來(lái)居上的sonogenetics到底有什么本事。

2015年，Salk 研究所的副教授Sreekanth Chalasani發(fā)文，提出了一種在體內(nèi)操縱神經(jīng)元和其他細(xì)胞的新方法——利用臨床上的醫(yī)學(xué)超聲波，通過(guò)線蟲(chóng)作為載體，將一個(gè)能夠應(yīng)答超聲波的膜離子通道——蛋白質(zhì)TRP-4，添加到了線蟲(chóng)的神經(jīng)元中，這種蛋白質(zhì)對(duì)超聲波壓力變化很敏感，然后成功用超聲波將其激活。

作者聲稱，聲遺傳學(xué)技術(shù)在治療疾病方面比光遺傳學(xué)更有優(yōu)勢(shì)。

從理論上看，這項(xiàng)發(fā)明的潛力確實(shí)不小，因?yàn)槿梭w內(nèi)許多細(xì)胞都能應(yīng)答TRP-4引發(fā)的活動(dòng)。這意味著，超聲波理論上可以到達(dá)人體內(nèi)的任何組織，包括大腦，并通過(guò)TRP-4來(lái)激活。

不過(guò)，當(dāng)時(shí)科學(xué)家并沒(méi)有在動(dòng)物大腦上實(shí)驗(yàn)，無(wú)從驗(yàn)證該方法是否真的有效。

但就在前不久，“實(shí)錘”出現(xiàn)了。

美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院、卡夫利大腦與心智研究所和國(guó)防高級(jí)研究機(jī)構(gòu)（DARPA）等共同資助的一項(xiàng)神經(jīng)學(xué)研究，聲稱證實(shí)了超聲波能被操縱用來(lái)激活腦神經(jīng)元，并登上了《nature》期刊。

首先，科學(xué)家選用了線蟲(chóng)作為傳遞裝置，并對(duì)其進(jìn)行了“基因改造”，為其神經(jīng)元中都添加上TRP-4，然后將其引入到功能失調(diào)的腦細(xì)胞中。

接下來(lái)，使用蝙蝠、鯨魚(yú)等動(dòng)物都難以檢測(cè)到的超聲波頻率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些聲波切實(shí)改變了線蟲(chóng)的活動(dòng)方向，實(shí)驗(yàn)的60分鐘時(shí)間內(nèi)，安全地操縱其刺激神經(jīng)活動(dòng)。

（超聲信號(hào)改變了線蟲(chóng)的行為）

本是同根生：聲遺傳學(xué)是如何碾壓“前輩”的？

由此我們可以發(fā)現(xiàn)，雖然原理高度相似，但聲遺傳學(xué)相較于以往利用光來(lái)控制動(dòng)物腦細(xì)胞的技術(shù)而言，其優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的：

首先，聲遺傳學(xué)最大的優(yōu)點(diǎn)是不需要大腦植入。

在過(guò)去的二十年里，腦神經(jīng)研究所使用的工具是光遺傳學(xué)，需要在動(dòng)物大腦深處插入一根光纖，將光傳送到目標(biāo)區(qū)域，從而激活帶有感光蛋白的神經(jīng)細(xì)胞。例如，患有帕金森氏病的動(dòng)物可以通過(guò)對(duì)腦細(xì)胞進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，使其具有光敏性，從而治愈他們的非自愿震顫。而這種手術(shù)要將一根探針植入大腦，聽(tīng)起來(lái)是不是和馬斯克的“大腦縫紉機(jī)”一樣令人發(fā)憷？

而聲遺傳學(xué)只需要將TRP-4等聲敏物質(zhì)傳遞給腦補(bǔ)的蛋白質(zhì)，就可能完成精確導(dǎo)向并控制細(xì)胞的功能，并且已經(jīng)在心肌細(xì)胞、豬血等上面成功實(shí)驗(yàn)了，病人接受起來(lái)更加容易。

（如何使用超聲將聲敏藥物遞送至大腦的精確目標(biāo)）

其次，在精確度和可靠度上，聲音控制有更好的理論基礎(chǔ)。

神經(jīng)學(xué)治療的挑戰(zhàn)之一，就是可靠地激活單個(gè)神經(jīng)元，尤其是在更深的腦區(qū)域。目前的主要方法正是用侵入性手術(shù)來(lái)輸送特定波長(zhǎng)的光，但由于光敏蛋白和光照在腦神經(jīng)元中很難分布均勻，并且會(huì)被大腦和機(jī)體其他組織散射掉，因此靠光遺傳學(xué)操縱腦細(xì)胞，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定程度的預(yù)期外表現(xiàn)。

而超聲波則不同，低頻聲波能夠穿過(guò)深層和完好的組織，直接刺激大腦內(nèi)的神經(jīng)元簇，不存在散射問(wèn)題。因此，刺激大腦深處的同時(shí)，也不會(huì)影響到人體內(nèi)的任何其他細(xì)胞。實(shí)驗(yàn)顯示，連續(xù)重復(fù)690千赫與3兆赫之間的超聲波，能夠安全地減少慢性疼痛。

聲遺傳學(xué)的另一個(gè)巨大潛力在于，它幾乎可以控制所有類型的細(xì)胞。也就是說(shuō)，從產(chǎn)生胰島素到心臟起搏，人體機(jī)能都可能因聲音而改變。比如研究人員目前就在測(cè)試超聲波是否能影響人體的代謝過(guò)程，如胰腺細(xì)胞的胰島素分泌。

未來(lái)有一天，聲遺傳學(xué)也許可以繞開(kāi)藥物治療，無(wú)需腦外科手術(shù)，用于治療創(chuàng)傷應(yīng)激、帕金森氏癥、癲癇、運(yùn)動(dòng)障礙到慢性疼痛的各種疾病。比如說(shuō)去除癌細(xì)胞而不影響任何周?chē)慕M織，并且沒(méi)有任何副作用……聽(tīng)上去是不是很刺激？

當(dāng)然，作為一項(xiàng)還在概念驗(yàn)證階段的技術(shù)，“大腦聲控”還存在許多bug：

比如，想要將聲敏通道，也就是TRP-4蛋白引入特定的人體細(xì)胞，和控制線蟲(chóng)可不是一個(gè)難度系數(shù)。要知道線蟲(chóng)只有302個(gè)神經(jīng)元，用超聲波讓它們精確地導(dǎo)向神經(jīng)元，只需要在其中294個(gè)神經(jīng)元中添加TRP-4就可以了。但人類可不像線蟲(chóng)，自身沒(méi)有TRP-4基因，如何讓聲敏蛋白進(jìn)入大腦的目標(biāo)區(qū)域，還需要人類臨床實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探索和驗(yàn)證。

再比如，聲波刺激水平會(huì)不會(huì)讓神經(jīng)元應(yīng)答超出生理范圍，從而帶來(lái)潛在風(fēng)險(xiǎn)，這一點(diǎn)很難評(píng)估。其實(shí)早在2012年，學(xué)界就在討論，讓“聲遺傳學(xué)”結(jié)合胎兒成像技術(shù)，來(lái)輔助先天性遺傳疾病的診斷。但這種非侵入性的產(chǎn)前檢測(cè)有可能產(chǎn)生誤導(dǎo)性的診斷，考慮到“胎兒優(yōu)先”的理念，一直沒(méi)有突破。

（2005-2015的光遺傳相關(guān)論文數(shù)量）

不過(guò)，從它的前輩——光遺傳學(xué)的發(fā)展腳步來(lái)看，從2005年實(shí)驗(yàn)室誕生廣受質(zhì)疑，到如今在多個(gè)領(lǐng)域得到利用，為許多疾病的治療提供了新思路，甚至對(duì)人工智能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也有貢獻(xiàn)，不過(guò)短短十幾年的時(shí)間。

而一出生就有著眾多盟友，比如聲敏材料的突破、人工智能分析能力的引入、獲取輸出信號(hào)的半導(dǎo)體技術(shù)等等，在這些超級(jí)輔助之下，靠聲音控制大腦和機(jī)體，這一天或許會(huì)來(lái)的比想象更快。

試想一下，在不遠(yuǎn)的未來(lái)，不需要手術(shù)就能在有缺陷的心臟上植入起搏器，不注射胰島素就可以控制血糖水平，甚至按一個(gè)按鈕就可以緩解癲癇發(fā)作，這樣的美麗新世界，或許會(huì)顛覆目前大家對(duì)腦機(jī)接口、可穿戴設(shè)備的所有想象，也說(shuō)不定呢？

雖然暫時(shí)還沒(méi)有科技巨頭為sonogenetics開(kāi)一場(chǎng)驚艷全球的發(fā)布會(huì)，但它依然值得我們?cè)谀X海里按下一個(gè)“收藏”鍵。

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