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20171208《科学》杂志预览

发布时间:2017-12-12来源:浙大新闻办作者:王敏嘉269


COVER Subsistence fisher casting a net on the Mekong River, Nong Khai Province, Thailand. The future of the freshwater fishery in this region is uncertain, given the looming development of extensive hydropower in the basin. Sabo et al. have developed an algorithm for coordinated dam operations that improves food futures over a scenario of restored or natural flows. 

生物电子预示着半机器人的崛起

从黑色的小鼠——C57BL6品系的头部出现的电线是一个通信点。如果你是科幻爱好者,你就知道半机器人是如何出现的。哈佛大学的化学家Charles Lieber和他的同事们用小巧的网状电子探针(对免疫系统是灵活的且不可见的)注入小鼠的大脑,这种电子探针每次可以在神经元监听数月。标准电极不能与这种寿命相匹配,也不能与Lieber在上周在波士顿举行的材料研究学会会议上报告的另一项成果——“同时在大脑中的两个其他视觉处理中心记录神经活动”相匹配。

入脑组织的网状电极可以运行数月。

照片:Lieber团队,哈佛大学

Lieber的研究成果以及在会议上展示的其他进展预示着生物电子学的新时代的崛起。当电子学与神经组织无缝结合,可以为人类带来从盲症、瘫痪到帕金森病和老年痴呆症等脑部疾病的创新治疗。目前,研究人员主要从事动物研究,主要是通过“听”神经活动来了解大脑。但因为电极可以带有输入和输出,所以不仅仅是利伯监测他的老鼠,而且距离控制他们自己那天也不远了。“生物体与外界的界限正在消失”纽瓦克特拉华大学的生物电子学专家David Martin说,“你不得不问:哪里是生命的终结和工程的开端?”

究人员测量了小鼠大脑中三个视觉处理区域的神经活动

照片:Lieber团队,哈佛大学  

几十年来,神经学家们已经在小鼠和其他动物的大脑中插入了薄金属探针来研究神经回路的基本功能,而且这些电极的作用越来越强。例如,上个月,一个由国际研究人员组成的研究小组报告说,创建超薄金属探针能够同时跟踪每个探针上数百个不同点的神经活动。临床医师已经使用相关的金属探针进行深度脑刺激疗法,在这种疗法中,神经元被触发以抑制与帕金森病和其他疾病相关的肌肉震颤。

但是,即使是细长的金属探针也会在插入大脑时损伤神经组织,Lieber说。在接下来的数周至数月内,免疫细胞通常会攻击这些刚性外来物体,从而产生炎症反应和瘢痕组织,这些组织分离了探针并使其随着时间变得不那么有效。

所以Lieber和其他人正在制作生物友好型的替代品。例如,他的团队设计了由超薄金线制成的,包裹在具有细胞柔韧性的生物友好型有机聚合物塑料中的网状电极。所得到的电极足够柔韧以便于悬浮在含水流体中,吸入注射器中,并深入动物脑组织中。在那里,网状电极包含有神经元,并可以在小鼠中读出或刺激单细胞或小细胞群的活动长达一年。

在会议上,Lieber和他的同事们报告,将16通道的网状电极注入小鼠的视网膜和另外两个视觉处理中心:外侧膝状核和初级视觉皮层,随着观察动物一系列的运动图像,研究小组监视了三个区域的所有神经元发射情况。利伯说,这是神经学家第一次能够追踪活体动物活动时的所有三层视觉回路。“这是相当具有开创性的”德国德累斯顿科技大学的生物电子学专家Ivan Minev说,“这是一个可以在很多地方部署的平台。”

接着,Lieber说,他希望利用这些网格来研究学习、记忆的形成,以及与衰老和疾病有关的记忆丧失——首先是应用于动物,最终是应用于人类。作为评估网格安全性的第一步,他已经向审查委员会机构申请批准将其植入严重癫痫患者的大脑中,之后他们将进行手术以除去脑部的这些部分来治疗这种疾病。

Lieber的网格可能只是开始。尽管他的电极记录了附近任意神经元的活动,但加利福尼亚州帕洛阿尔托斯坦福大学的化学家Zhenan Bao和神经学家Karl Deisseroth想要在大脑中存在的几十种神经元中针对特定类型的神经元。在会上,Bao报告说,她和她的同事已经通过基因工程改造小鼠的特定神经细胞,在细胞膜的外表面表达一种称为过氧化酶的蛋白质。在分离培养物的大脑切片后,研究人员将用于导电聚合物的化学结构单元添加到培养液中。过氧化酶选择性地触发聚合物的形成,使工程神经细胞包裹在聚合物中,而其他类型的神经元保持裸露。

在会谈中,鲍氏集团博士后研究员Jia Liu表示,他正在将这些聚合物包裹的细胞与网状电极连接起来,使细胞能够与外界“沟通”。伊利诺斯州芝加哥大学生物电子学专家Bozhi Tian说:“这就是未来。” 由于对培养基因工程神经元的依赖性,Bao的策略不可能很快转化到人类上。但至少对于老鼠来说,它使半机器人时代的到来更近一步。

2017-12-08 来源:美国科学促进会, 翻译、整理 王敏嘉)