人肠道里细菌的数量是人本身细胞数量的好几倍 , 这些细菌之间的代谢(如血清素)会影响人的睡眠周期、幸福感、肠道疾病(便秘)等 。
综上 , 能同时插在脑子和肠子里的“元弦”传感器 , 因此就成为一个潜在的研究“脑-肠轴”的硬件工具 , 可帮助我们更好地理解自闭症、阿尔茨海默症等的发病过程和原理 。
和生物组织一样柔软的传感器 , 对大脑几乎无伤
众所周和 , 大脑和肠道非常软 , 同时也在频繁蠕动 。
现在已有测量多巴胺和血清素等的植入物 , 大都由包裹在玻璃管中的刚性碳棒制成 , 硬且脆 。 这些材料无法跟随大脑的震动 , 两者势必会发生摩擦 , 长期下去会对大脑组织产生一定破坏 , 引起比较重的炎症反应;也会吸引一些免疫细胞包裹住探针 , 传感器信号传递不出去 , 最终失去作用 。
而“元弦”传感器有着与生物组织类似的柔软性 。 可以打比方说 , 目前在大脑里安装的探针 , 就像将一根筷子插到豆腐里 , 而“元弦”就相当于豆腐里的一根柔软面条 , 能在一个非常自然的情况下 , 实时、准确地了解血清素等神经递质的分泌情况 , 可以从而了解很多疾病之间的关系 。
图丨“元弦”(来源:Nature)
除了柔软性这个优点 , “元弦”还可以同时分辨两个甚至多个神经递质 , 其他类型探针大部分只能分辨一个 。
“除了多巴胺和血清素 , '元弦'还能监测肾上腺素和去甲肾上腺素 。 这4种较常见的神经递质分子结构比较相似 , 我们研制的传感器可以同时分辨出其中3种来 , 相当于得到的信息更多 。 ”李金星提到 , “另外 , 我们可以实现多个通道的检测 , 可以更加完整地去看整个大脑的一个动态的变化 。 ”
他解释说 , 神经递质间的传导变化非常快 , 而且是一个动态的过程 , 比如 , 当人看到好吃的或者受到了惊吓 , 需要捕捉的信号可能不到一秒的时间 , 所以一个较高的时间分辨率非常有必要 。
“当传感器用于增强大脑功能或者是诊治大脑疾病时 , 我们不希望有一些安全性上的牺牲 , 所以才要去开发这种非常柔软的神经电极 。 最终它在安全性和性能上面达到了一个比较好的平衡 。 ”论文另一位作者刘宇鑫表示 。
由激光诱导石墨烯制成 , 灵敏度、稳定性非常高
据了解 , “元弦”由激光诱导石墨烯制成 。 石墨烯是一种具有众多优良特性的新型材料 , 最初由物理学家从石墨中分离出 , 并获得2010年诺贝尔物理学奖 , 已被用在微纳加工、生物医学等领域 。
首先石墨烯是一个碳材料 , 导电性良好 , 本身具有一定催化特性 , 可以氧化还原神经递质;其表面积相对比较大 , 对于小分子有吸附作用 , 灵敏度因此比较高 。
(来源:Nature)
另外 , 该材料在电化学扫描的时候 , 形成的扫描曲线类似于一个长方形 , 不像其他很多导电材料接近于一条直线 。 其信噪比、稳定性也非常高 , 长时间扫描依旧很平稳 , 意味着信号更容易被分辨出来 。
据了解 , “元弦”最终呈现出的是包裹在弹性体(橡胶)里的石墨烯网络结构 。 “石墨烯本身不是很可拉伸 , 但如果它像网状缠绕在一起 , 嵌入在橡胶中 , 它就变成了可拉伸 。 ”李金星解释说 。
而刘宇鑫则表示 , 他们还采用激光技术把它做成了几百微米大小 , 里面也加入了一些纳米颗粒 , 可以提高同时测量多巴胺和血清素的灵敏度和选择性 。
联合不同团队进行多项实验
值得一提的是 , 研究团队与斯坦福大学的生物学、精神病学、胃肠病学和外科学 , 以及材料学和生物工程系的多名科学家进行了合作 。 比如 , 斯坦福大学崔屹教授、崔便晓教授、艾达·哈贝齐翁(AidaHabtezion)教授(现辉瑞首席医学官)、詹姆士·邓恩(JamesC.Y.Dunn)教授、塞吉厄·帕斯卡(SergiuP.Paca)教授和他们的课题组都有参与这项研究 。
为了证明“软”“硬”探针的优劣 , 研究人员首先做了一个对比实验 , 当“硬”探针工作时 , 由于它会刺激到肠壁 , 会导致血清素释放 , “软”探针不会对肠壁产生刺激 , 因此“元弦”能够在自然状态下研究神经递质分泌和吸收的实际动态过程 , 减少多余干扰因素 。
在另一项实验中 , 研究人员将“元弦”植入到同一只老鼠的大脑和肠道 。 当给老鼠喂食巧克力糖浆时 , 传感器检测到老鼠脑中多巴胺和肠道中血清素的峰值接近预期反应 , 并发现可以同时测到这两种神经递质 。
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