從幻想走向科學(xué)：人類操縱大腦的條條大路

大腦是人類最重要的器官，同時(shí)也是我們身體中最神秘的部分。在大腦中，無數(shù)的神經(jīng)元控制了我們的思想、情感、記憶、行動?？梢哉f，我們的大腦定義了我們是誰。解讀大腦、了解大腦的腦科學(xué)研究，也被稱為除去太空航行與量子科學(xué)之外，科學(xué)發(fā)展的第三條路。

而在多種多樣的腦科學(xué)研究中，“操縱大腦”可以說是一個(gè)核心命題。這個(gè)方向中發(fā)展出的最核心科研方向，就是我們熟悉的腦機(jī)接口。

但是，除了腦機(jī)接口之外，操縱大腦就沒有其他方式方法了嗎？

并非如此。在科幻文化中，我們可以看到作家對操縱大腦的種種設(shè)想。從《超體》中以藥物刺激大腦，到賽博朋克文化中用電子干涉入侵腦空間?；孟雽用妫覀冇蟹浅６鄬Υ竽X的操縱可能性。

從幻想走向現(xiàn)實(shí)，科學(xué)界對于操縱大腦又有哪些探索呢？

10月13到14日，天橋腦科學(xué)研究院與《科學(xué)》雜志聯(lián)合舉辦的年度會議順利舉行。其間，來自世界各地的6位腦科學(xué)研究領(lǐng)域的頂級科學(xué)家向觀眾介紹了神經(jīng)調(diào)節(jié)與腦機(jī)接口技術(shù)最前沿的進(jìn)展。在這場活動中，我們可以充分領(lǐng)略前沿科學(xué)中，通往大腦殿堂的種種路徑。

條條大路通大腦，條條大路也通向著人類未來的無限可能。

光學(xué)之路：神經(jīng)元水平的行為操控

來自加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)系的Weijian Yang教授講述了利用先進(jìn)光學(xué)技術(shù)監(jiān)測和調(diào)節(jié)神經(jīng)元活動方面的研究進(jìn)展。

神經(jīng)元集群（ensemble）是指在時(shí)間和空間上發(fā)生共激活的一組神經(jīng)元，集群間的協(xié)調(diào)活動是大腦認(rèn)知與行為的基礎(chǔ)。Yang教授的主要研究內(nèi)容就是利用光學(xué)手段在神經(jīng)元集群水平上進(jìn)行神經(jīng)調(diào)控。

（左：光遺傳學(xué)技術(shù)機(jī)制；右：雙光子顯微鏡下小鼠在體神經(jīng)元圖像）

高通量雙光子成像顯微鏡可以在非常短的時(shí)間內(nèi)對腦深部的大量神經(jīng)元活動進(jìn)行成像觀察，而光遺傳學(xué)技術(shù)是指借助遺傳學(xué)手段將特定的光通道蛋白表達(dá)在特定神經(jīng)元中，使得科學(xué)家能利用光來激活或抑制神經(jīng)元活動。Yang教授團(tuán)隊(duì)又進(jìn)一步開發(fā)了全息光遺傳學(xué)技術(shù)，該技術(shù)能將激發(fā)光源調(diào)制成3D形狀。

超聲對話之路：無創(chuàng)腦機(jī)接口的新希望

除了光學(xué)手段，聲波在腦科學(xué)研究中也有著無限潛力。來自加州理工學(xué)院化學(xué)工程專業(yè)的Mikhail Shapiro教授講述了他們在超聲方面的探索。

相比于光，聲波和磁場對組織有更好的穿透力，適于對更大型的動物乃至人類進(jìn)行研究。根據(jù)神經(jīng)血管耦合原理，通過超聲檢測微血管血流動力學(xué)變化，可間接測出神經(jīng)元的活動變化。Shapiro介紹了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)：在大猩猩頭部放置的超聲探頭可通過檢測血流動力學(xué)改變測得神經(jīng)元的活動變化，這種超聲信號在大猩猩做出行為反應(yīng)之前就已能預(yù)測它們的活動意圖。這種技術(shù)為開發(fā)無創(chuàng)腦機(jī)接口提供了可能。

（在實(shí)驗(yàn)猩猩做出動作之前，超聲得到的信號已經(jīng)能反映動作的意圖）

另外，科學(xué)家們還觀察到，聚焦超聲具有神經(jīng)調(diào)節(jié)作用，這種作用是無創(chuàng)、非侵入性的?；诖?，Shapiro教授的團(tuán)隊(duì)提出了聲學(xué)靶向化學(xué)遺傳學(xué)概念，其原理是用超聲波來定位希望調(diào)節(jié)的大腦區(qū)域，以聚焦超聲暫時(shí)打開該位置的血腦屏障，允許病毒載體進(jìn)入該區(qū)域；在細(xì)胞類型特異性前體的引導(dǎo)下，使該特定細(xì)胞表達(dá)化學(xué)受體，令特定區(qū)域?qū)μ囟ㄋ幬锏拿舾行栽鰪?qiáng)。利用這項(xiàng)技術(shù)，超聲將能成為一種非侵入性的腦部藥物遞送工具。

聲—光材料之路：非侵入性神經(jīng)調(diào)控另一種可能

來自斯坦福大學(xué)材料科學(xué)和工程學(xué)系的Guosong Hong教授介紹了聲波-視覺交互作用在神經(jīng)調(diào)節(jié)上的應(yīng)用。如前所述，在光遺傳學(xué)技術(shù)中，科學(xué)家利用光照來激活或抑制神經(jīng)元活動；但光對組織的穿透力非常小，如果要穿透厚厚的腦組織，就必須植入侵入性電極。超聲對組織的穿透力很強(qiáng)，那么能否有一種研究手段將這兩者結(jié)合起來呢？這便是Hong教授團(tuán)隊(duì)的研究方向：聲-光遺傳學(xué)技術(shù)進(jìn)行神經(jīng)調(diào)節(jié)。

（納米材料在超聲聚焦的部位釋放光信號，激發(fā)神經(jīng)元）

他的團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種納米材料，將該材料注入動物靜脈后，當(dāng)通過離皮膚表面較近的區(qū)域就能吸收光能，而在超聲聚焦的部位發(fā)生放能，利用光信號來激發(fā)神經(jīng)元。利用1064nm波段的紅外線，他們成功實(shí)現(xiàn)了無創(chuàng)神經(jīng)調(diào)節(jié)，光波的發(fā)射與否影響著小鼠的活動行為。通過這種被稱作聲-光遺傳學(xué)的技術(shù)，聚焦超聲在腦局域中產(chǎn)生的光學(xué)信號可以對大腦進(jìn)行“掃描”，紅外激發(fā)信號能進(jìn)行無創(chuàng)神經(jīng)調(diào)控；結(jié)合兩者，他們將在材料開發(fā)上進(jìn)一步深入，希望未來對動物，乃至人的非侵入性神經(jīng)調(diào)控成為可能。

柔性腦電極之路：古老材料新生機(jī)

天橋腦科學(xué)研究院研究員、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（SIMIT）教授陶虎，介紹了在腦機(jī)接口設(shè)計(jì)方面的新進(jìn)展。他指出，合格的腦機(jī)接口應(yīng)做到：1.高通量；2.低創(chuàng)傷；3.在體內(nèi)穩(wěn)定?；谶@些原則，他們的團(tuán)隊(duì)使用提取出的蠶絲蛋白作為腦機(jī)接口材料的基礎(chǔ)，命名為“Silktrode”。

該材料能夠在極薄而柔性的層面上集成幾百上千個(gè)電極，在小鼠身上進(jìn)行的長期試驗(yàn)證明了它的穩(wěn)定性。此外，利用蠶絲蛋白包裹的柔性電極能實(shí)現(xiàn)無需導(dǎo)針的微創(chuàng)植入，在植入過程中能自動躲避血管，避免損傷。陶教授期望在不久的將來，這項(xiàng)技術(shù)能應(yīng)用于肌萎縮側(cè)索硬化癥病人，或許能通過腦機(jī)接口使患者控制機(jī)械臂運(yùn)動或發(fā)出語音。

陶虎教授認(rèn)為，在柔性電極開發(fā)基礎(chǔ)上，腦機(jī)接口相關(guān)的芯片、探針、植入方式、手術(shù)機(jī)器人、數(shù)據(jù)和算法的開發(fā)，將形成一個(gè)綜合的技術(shù)樹，腦機(jī)接口在未來將為人類社會帶來一場革命。

神經(jīng)康復(fù)：重塑失去的感覺

來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院衛(wèi)生科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的Stanisa Raspopovic教授介紹了用于神經(jīng)康復(fù)的腦機(jī)接口技術(shù)的最新進(jìn)展。

中風(fēng)、糖尿病、脊髓損傷等疾病往往會帶來嚴(yán)重后遺癥，如肢體活動障礙、吞咽困難、疼痛、感覺障礙等等。在神經(jīng)調(diào)控技術(shù)協(xié)助康復(fù)的方向上，Raspopovic教授介紹了幾個(gè)頗為令人興奮的解決方案，如：

（1）感覺神經(jīng)假體。傳統(tǒng)的假肢只是固定在患者肢體殘端的一個(gè)外部裝置，沒有感覺，難以達(dá)到良好的步態(tài)控制；而如今科學(xué)家在假肢上增加了傳感器，并將電極置入神經(jīng)殘端，傳感器接收的外界信號通過神經(jīng)殘端進(jìn)入大腦，讓大腦可以協(xié)調(diào)步態(tài)活動。在實(shí)際試驗(yàn)中，失去單側(cè)肢體的患者能精準(zhǔn)地定位到假肢上的哪個(gè)部位受到了刺激，“仿佛假肢是他身體的一部分”。

（感覺神經(jīng)假體原理示意圖）

（2）糖尿病周圍神經(jīng)病變常常伴隨感覺缺失，患者無法感覺到皮膚上的機(jī)械刺激，即使是“鞋子里的一塊石頭”都有可能發(fā)展為巨大潰瘍，甚至發(fā)生感染、導(dǎo)致截肢。Raspopovic教授團(tuán)隊(duì)提出了NeuroLeg解決方案，通過襪子上的傳感器將壓力信號傳導(dǎo)至近端神經(jīng)、進(jìn)入大腦，使患者重拾壓力覺、痛覺，從而能更好照顧自己。

（NeuroLeg解決方案）

不過，以上研究都還有許多現(xiàn)實(shí)問題需要解決，如，電極放置仍是侵入性的，如何減少手術(shù)損傷？電極產(chǎn)生的異物反應(yīng)如何解決？這些都是在未來需要解決問題。Raspopovic教授總結(jié)道，服務(wù)于臨床的神經(jīng)技術(shù)將推動更健康的老齡化，使每一個(gè)人都能享受有意義的生活。

低頻電刺激：更安全的癲癇治療手段

德國弗萊堡大學(xué)醫(yī)學(xué)中心神經(jīng)外科教授Carola Haas向大家分享了她的研究：低頻刺激在不影響海馬體功能前提下干擾局灶性癲癇發(fā)作。

傳統(tǒng)治療癲癇的藥物手段缺乏空間特異性，也有很多副作用；手術(shù)治療又會破壞腦功能且是不可逆的；深部電刺激或許能很好地彌補(bǔ)這兩點(diǎn)。顳葉內(nèi)側(cè)癲癇是一種常見的成人局灶性癲癇，影像學(xué)上常見海馬硬化。海馬區(qū)有著重要的功能，傳統(tǒng)的高頻深部電刺激對海馬區(qū)可能造成一定的副作用如抑郁、記憶障礙等。Haas教授的主要研究的方向是利用低頻電刺激（low frequency stimulation，LFS）來治療顳葉內(nèi)側(cè)癲癇，與高頻刺激相比，LFS對大腦注入的電流更小，電同步過程更加自然。在小鼠上進(jìn)行的試驗(yàn)表明，LFS小鼠與未受刺激的同窩小鼠具有相似的焦慮水平；LFS不會干擾空間導(dǎo)航，也不會干擾空間記憶的形成或回憶。這些發(fā)現(xiàn)可能可以轉(zhuǎn)化為臨床上更有效、安全的局灶性癲癇治療方案。

可以看到，對大腦發(fā)出指令、造成影響的科學(xué)方法非常豐富。而這些方法既彰顯了未來的無盡可能，也在目前階段探索著更安全、有效的腦科學(xué)-臨床治療方法。在不遠(yuǎn)的將來，我們還將修建更多通向大腦的陽關(guān)大道。

大腦殿堂中還蘊(yùn)藏了哪些可能性，讓我們拭目以待。