大脑可以被“声控”了?
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大脑可以被“声控”了?

2019年08月19日 07:31:00
来源:钛媒体

马斯克的脑机接口火了一阵子,果不其然又归于沉寂。本来么,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,只有病情严重的植物人或者中风患者才愿意冒险成为“小白鼠”。

紧随其后的Facebook 利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,原因是非侵入式设备的精确性比较有限,无法有效辨析出复杂的脑电信号。

这么说想要实现黑客帝国就只能枯等啦?科学家们岂是就这么服输的。另一个刺激神经活动的技术——声遗传学(sonogenetics),其实一直悄然在实验室里酝酿生长。

2014年,亚利桑那州立大学WilliamTyler曾经用超声刺激大脑。到了2015年,Nature子刊《Nature Communications》公布了一种能激活特定神经细胞的声遗传技术。但它一直没能像光遗传学技术一样,被巨头们选中并推至大众面前。那么,是什么让它近日开始被海外科技媒体所关注的呢?

站到聚光灯下的sonogenetics,究竟能干啥?

过去十年间,光遗传学给神经科学带来了一场革命。

通过光来读取和控制神经活动,成为许多实验室研究大脑基础功能的标准工具。而且越来越多的人们开始相信,它能够治疗许多人类疾病,因此也被《Nature Methods》杂志评为过去十年中对生物学研究影响最深的十大技术之一。

但原理类似的声遗传学,即用声音来控制脑部活动,其存在感和学术案例都要少得多得多。要搞清楚二者的区别在哪儿,先来说说后来居上的sonogenetics到底有什么本事。

2015年,Salk 研究所的副教授Sreekanth Chalasani发文,提出了一种在体内操纵神经元和其他细胞的新方法——利用临床上的医学超声波,通过线虫作为载体,将一个能够应答超声波的膜离子通道——蛋白质TRP-4,添加到了线虫的神经元中,这种蛋白质对超声波压力变化很敏感,然后成功用超声波将其激活。

作者声称,声遗传学技术在治疗疾病方面比光遗传学更有优势。

从理论上看,这项发明的潜力确实不小,因为人体内许多细胞都能应答TRP-4引发的活动。这意味着,超声波理论上可以到达人体内的任何组织,包括大脑,并通过TRP-4来激活。

不过,当时科学家并没有在动物大脑上实验,无从验证该方法是否真的有效。

但就在前不久,“实锤”出现了。

美国国立卫生研究院、卡夫利大脑与心智研究所和国防高级研究机构(DARPA)等共同资助的一项神经学研究,声称证实了超声波能被操纵用来激活脑神经元,并登上了《nature》期刊。

首先,科学家选用了线虫作为传递装置,并对其进行了“基因改造”,为其神经元中都添加上TRP-4,然后将其引入到功能失调的脑细胞中。

接下来,使用蝙蝠、鲸鱼等动物都难以检测到的超声波频率,结果发现,这些声波切实改变了线虫的活动方向,实验的60分钟时间内,安全地操纵其刺激神经活动。

(超声信号改变了线虫的行为)

本是同根生:声遗传学是如何碾压“前辈”的?

由此我们可以发现,虽然原理高度相似,但声遗传学相较于以往利用光来控制动物脑细胞的技术而言,其优势是显而易见的:

首先,声遗传学最大的优点是不需要大脑植入。

在过去的二十年里,脑神经研究所使用的工具是光遗传学,需要在动物大脑深处插入一根光纤,将光传送到目标区域,从而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可以通过对脑细胞进行特殊设计,使其具有光敏性,从而治愈他们的非自愿震颤。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”一样令人发憷?

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,就可能完成精确导向并控制细胞的功能,并且已经在心肌细胞、猪血等上面成功实验了,病人接受起来更加容易。

如何使用超声将声敏药物递送至大脑的精确目标

其次,在精确度和可靠度上,声音控制有更好的理论基础。

神经学治疗的挑战之一,就是可靠地激活单个神经元,尤其是在更深的脑区域。目前的主要方法正是用侵入性手术来输送特定波长的光,但由于光敏蛋白和光照在脑神经元中很难分布均匀,并且会被大脑和机体其他组织散射掉,因此靠光遗传学操纵脑细胞,有时会出现一定程度的预期外表现。

而超声波则不同,低频声波能够穿过深层和完好的组织,直接刺激大脑内的神经元簇,不存在散射问题。因此,刺激大脑深处的同时,也不会影响到人体内的任何其他细胞。实验显示,连续重复690千赫与3兆赫之间的超声波,能够安全地减少慢性疼痛。

声遗传学的另一个巨大潜力在于,它几乎可以控制所有类型的细胞。也就是说,从产生胰岛素到心脏起搏,人体机能都可能因声音而改变。比如研究人员目前就在测试超声波是否能影响人体的代谢过程,如胰腺细胞的胰岛素分泌。

未来有一天,声遗传学也许可以绕开药物治疗,无需脑外科手术,用于治疗创伤应激、帕金森氏症、癫痫、运动障碍到慢性疼痛的各种疾病。比如说去除癌细胞而不影响任何周围的组织,并且没有任何副作用……听上去是不是很刺激?

当然,作为一项还在概念验证阶段的技术,“大脑声控”还存在许多bug:

比如,想要将声敏通道,也就是TRP-4蛋白引入特定的人体细胞,和控制线虫可不是一个难度系数。要知道线虫只有302个神经元,用超声波让它们精确地导向神经元,只需要在其中294个神经元中添加TRP-4就可以了。但人类可不像线虫,自身没有TRP-4基因,如何让声敏蛋白进入大脑的目标区域,还需要人类临床实验进一步探索和验证。

再比如,声波刺激水平会不会让神经元应答超出生理范围,从而带来潜在风险,这一点很难评估。其实早在2012年,学界就在讨论,让“声遗传学”结合胎儿成像技术,来辅助先天性遗传疾病的诊断。但这种非侵入性的产前检测有可能产生误导性的诊断,考虑到“胎儿优先”的理念,一直没有突破。

(2005-2015的光遗传相关论文数量)

不过,从它的前辈——光遗传学的发展脚步来看,从2005年实验室诞生广受质疑,到如今在多个领域得到利用,为许多疾病的治疗提供了新思路,甚至对人工智能产业的发展也有贡献,不过短短十几年的时间。

而一出生就有着众多盟友,比如声敏材料的突破、人工智能分析能力的引入、获取输出信号的半导体技术等等,在这些超级辅助之下,靠声音控制大脑和机体,这一天或许会来的比想象更快。

试想一下,在不远的未来,不需要手术就能在有缺陷的心脏上植入起搏器,不注射胰岛素就可以控制血糖水平,甚至按一个按钮就可以缓解癫痫发作,这样的美丽新世界,或许会颠覆目前大家对脑机接口、可穿戴设备的所有想象,也说不定呢?

虽然暂时还没有科技巨头为sonogenetics开一场惊艳全球的发布会,但它依然值得我们在脑海里按下一个“收藏”键。