《Nature》刊登鲍哲南等柔性电子脑机接口重大突破！探索了1条和马斯克不同的路

2016年夏天，大名鼎鼎的“现实版钢铁侠”（那时还不是地球首富也不是马院士的）埃隆·马斯克（Elon Musk）作为合伙人成立了一家名为Neuralink的公司，一时间让“脑机接口”引起诸多关注。顾名思义，脑机接口就是让（人或动物的）大脑能直接与机器进行沟通（比如不需要手就能打字）。不过，和大多数开发脑机接口的团队一样，马院士的Neuralink采取的思路也是记录/监测大脑中神经活动产生的电信号。

植入大脑的电极可以用于识别和治疗癫痫

这当然是非常有效的，但并不是全部。2000年的诺贝尔医学奖告诉我们，早在50年代， 科学家们就发现神经信号还有一种同样重要的载体：神经递质。

除了最为知名的（作为“爱情”代言人的）多巴胺，包括血清素（5-羟色胺）等单胺类神经递质同样在中枢神经系统和周围神经系统的信号传递中扮演关键角色。这些神经递质维持着大脑的基本生理功能，传输着大脑的信息流，并直接操控着情绪，积极性，幸福感，学习，认知，动机，运动，奖励等功能。

神经递质的紊乱与各种精神疾病和大脑疾病如抑郁症、上瘾、帕金森综合征有直接关系。但是过去对它们的监测主要依赖荧光探针，特别是通过遗传工程开发的具有高选择性高灵敏性的荧光蛋白。荧光探针面临的巨大问题是，它可以在细胞、组织、甚至模式生物的基础研究中取得巨大成功，但很难直接拓展到人脑；也很难进一步开发出脑机接口。

此前也有用于采集神经递质信号的器件，例如二氧化硅封装的碳纤维电极，但它们大多数也因为太硬而难以用于活体中。因为活体的组织不仅柔软而且经常处于运动状态，所以传统的硬质接口或者无法持久采集准确的信号，或者会引发炎症等问题。综上，发展能够对活体的神经递质信号进行实时监测的电子器件能够有力推动脑机接口研究，但仍然面临重大挑战。

研究成果

有鉴于此，斯坦福大学鲍哲南院士和陈晓科教授（共同通讯）带领下开发了一种新的柔性可拉伸的电子器件（称为NeuroString），不仅能准确地实时监测活动的老鼠大脑中的多巴胺信号，也能高保真度地实时采集周围神经系统（例如肠道神经）中的神经递质信号。

尽管后者的关注度并不算广泛，但其意义和难度并不亚于前者：特别是近年来越来越多的研究表明肠道菌群和大脑活动之间息息相关。肠道是人类的第二个大脑，已经成为广泛共识。

相关论文以“A tissue-like neurotransmitter sensor for the brain and gut”为题，发表在Nature。第一作者为李金星博士（目前已经在密歇根州立大学建立独立课题组），Liu Yuxin和 Yuan Lei担任共同一作。

在研究中，识别不同神经递质的原理是它们有独特的氧化还原曲线，特别是在石墨烯电极上。但是单层石墨烯能承受的最大拉伸应变仅有5%，所以研究人员采取的方式是，将多孔的石墨烯纳米纤维网络嵌入到聚合物弹性体中，从而既保留石墨烯的电化学活性，又大幅提升了力学性能。实际上，测试结果表明，石墨烯的加入还大幅提升了弹性体的应变。

在复合的电极材料中，研究人员还加入了氧化铁、氧化镍的纳米颗粒，因为它们可以选择性吸附神经递质以及提升电子转移速度，从而提升检测的选择性和灵敏度。NeuroString的检测信号在拉伸应变低于50%时变化低于15%，并且对于研究中关注的四种单胺类神经递质(多巴胺，血清素，肾上腺素，去甲肾上腺素) 的检测限都低于10 nM。

随后研究人员将NeuroString植入到小鼠大脑中，以考察它在原位监测中枢神经系统的多巴胺信号的能力。NeuroString表现出亚秒级的时间分辨率，并且在长达16周的测试时间内都保持稳定的信号输出。他们还对小鼠进行了奖赏和恐惧的训练，并监测训练的不同阶段时多巴胺信号的变化。

在大肠中，其实情况是更复杂的。大肠的运动远比大脑中更剧烈，而且大肠表层的细胞对外力刺激非常敏感。在实验中，研究人员发现普通的聚酰胺纤维虽然是柔性的，但由于不可拉伸，还是对大肠产生了刺激，导致其释放了大量额外的血清素，这突出了NeuroString柔性可拉伸的优势。NeuroString还能够直接用于肠道炎症的检测。

在斯坦福大学发布的采访中，研究人员指出，目前发表的NeuroString依然有很大的提升空间: 一是让电极能以无线通讯的方式反馈信号；二是进一步缩小纤维的尺寸，希望从目前的约50微米（头发丝粗细）下降到5微米左右（约一个细胞大小），这不仅提高器件与组织的相容性也可以提升检测的空间分辨率。更长远来看，除了探测神经递质信号，柔性可拉伸的器件是否能对它们进行干预？在从模式生物的研究到直接应用到人类疾病的诊疗过程中，也面临诸多机遇和挑战。