從幻想走向科學：人類操縱大腦的條條大路

大腦是人類最重要的器官，同時也是我們身體中最神秘的部分。在大腦中，無數的神經元控制了我們的思想、情感、記憶、行動。可以說，我們的大腦定義了我們是誰。解讀大腦、瞭解大腦的腦科學研究，也被稱為除去太空航行與量子科學之外，科學發展的第三條路。

而在多種多樣的腦科學研究中，“操縱大腦”可以說是一個核心命題。這個方向中發展出的最核心科研方向，就是我們熟悉的腦機介面。

但是，除了腦機介面之外，操縱大腦就沒有其他方式方法了嗎?

並非如此。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。幻想層面，我們有非常多對大腦的操縱可能性。

從幻想走向現實，科學界對於操縱大腦又有哪些探索呢?

10月13到14日，天橋腦科學研究院與《科學》雜誌聯合舉辦的年度會議順利舉行。其間，來自世界各地的6位腦科學研究領域的頂級科學家向觀眾介紹了神經調節與腦機介面技術最前沿的進展。在這場活動中，我們可以充分領略前沿科學中，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。

光學之路：神經元水平的行為操控

來自加利福尼亞大學戴維斯分校電子與計算機工程學系的Weijian Yang教授講述了利用先進光學技術監測和調節神經元活動方面的研究進展。

神經元叢集(ensemble)是指在時間和空間上發生共啟用的一組神經元，叢集間的協調活動是大腦認知與行為的基礎。Yang教授的主要研究內容就是利用光學手段在神經元叢集水平上進行神經調控。

(左：光遺傳學技術機制;右：雙光子顯微鏡下小鼠在體神經元影像)

高通量雙光子成像顯微鏡可以在非常短的時間內對腦深部的大量神經元活動進行成像觀察，而光遺傳學技術是指藉助遺傳學手段將特定的光通道蛋白表達在特定神經元中，使得科學家能利用光來啟用或抑制神經元活動。Yang教授團隊又進一步開發了全息光遺傳學技術，該技術能將激發光源調製成3D形狀。

超聲對話之路：無創腦機介面的新希望

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

相比於光，聲波和磁場對組織有更好的穿透力，適於對更大型的動物乃至人類進行研究。根據神經血管耦合原理，透過超聲檢測微血管血流動力學變化，可間接測出神經元的活動變化。Shapiro介紹了一項實驗：在大猩猩頭部放置的超聲探頭可透過檢測血流動力學改變測得神經元的活動變化，這種超聲訊號在大猩猩做出行為反應之前就已能預測它們的活動意圖。這種技術為開發無創腦機介面提供了可能。

(在實驗猩猩做出動作之前，超聲得到的訊號已經能反映動作的意圖)

另外，科學家們還觀察到，聚焦超聲具有神經調節作用，這種作用是無創、非侵入性的。基於此，Shapiro教授的團隊提出了聲學靶向化學遺傳學概念，其原理是用超聲波來定位希望調節的大腦區域，以聚焦超聲暫時開啟該位置的血腦屏障，允許病毒載體進入該區域;在細胞型別特異性前體的引導下，使該特定細胞表達化學受體，令特定區域對特定藥物的敏感性增強。利用這項技術，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：非侵入性神經調控另一種可能

來自史丹佛大學材料科學和工程學系的Guosong Hong教授介紹了聲波-視覺互動作用在神經調節上的應用。如前所述，在光遺傳學技術中，科學家利用光照來啟用或抑制神經元活動;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，那麼能否有一種研究手段將這兩者結合起來呢?這便是Hong教授團隊的研究方向：聲-光遺傳學技術進行神經調節。

(奈米材料在超聲聚焦的部位釋放光訊號，激發神經元)

他的團隊發明了一種奈米材料，將該材料注入動物靜脈後，當透過離皮膚表面較近的區域就能吸收光能，而在超聲聚焦的部位發生放能，利用光訊號來激發神經元。利用1064nm波段的紅外線，他們成功實現了無創神經調節，光波的發射與否影響著小鼠的活動行為。透過這種被稱作聲-光遺傳學的技術，聚焦超聲在腦局域中產生的光學訊號可以對大腦進行“掃描”，紅外激發訊號能進行無創神經調控;結合兩者，他們將在材料開發上進一步深入，希望未來對動物，乃至人的非侵入性神經調控成為可能。

柔性腦電極之路：古老材料新生機

天橋腦科學研究院研究員、中國科學院上海微系統與資訊科技研究所(SIMIT)教授陶虎，介紹了在腦機介面設計方面的新進展。他指出，合格的腦機介面應做到：1.高通量;2.低創傷;3.在體內穩定。基於這些原則，他們的團隊使用提取出的蠶絲蛋白作為腦機介面材料的基礎，命名為“Silktrode”。

該材料能夠在極薄而柔性的層面上整合幾百上千個電極，在小鼠身上進行的長期試驗證明了它的穩定性。此外，利用蠶絲蛋白包裹的柔性電極能實現無需導針的微創植入，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，這項技術能應用於肌萎縮側索硬化症病人，或許能透過腦機介面使患者控制機械臂運動或發出語音。

陶虎教授認為，在柔性電極開發基礎上，腦機介面相關的晶片、探針、植入方式、手術機器人、資料和演算法的開發，將形成一個綜合的技術樹，腦機介面在未來將為人類社會帶來一場革命。

神經康復：重塑失去的感覺

來自蘇黎世聯邦理工學院衛生科學與技術學院的Stanisa Raspopovic教授介紹了用於神經康復的腦機介面技術的最新進展。

中風、糖尿病、脊髓損傷等疾病往往會帶來嚴重後遺症，如肢體活動障礙、吞嚥困難、疼痛、感覺障礙等等。在神經調控技術協助康復的方向上，Raspopovic教授介紹了幾個頗為令人興奮的解決方案，如：

(1)感覺神經假體。傳統的假肢只是固定在患者肢體殘端的一個外部裝置，沒有感覺，難以達到良好的步態控制;而如今科學家在假肢上增加了感測器，並將電極置入神經殘端，感測器接收的外界訊號透過神經殘端進入大腦，讓大腦可以協調步態活動。在實際試驗中，失去單側肢體的患者能精準地定位到假肢上的哪個部位受到了刺激，“彷彿假肢是他身體的一部分”。

(感覺神經假體原理示意圖)

(2)糖尿病周圍神經病變常常伴隨感覺缺失，患者無法感覺到皮膚上的機械刺激，即使是“鞋子裡的一塊石頭”都有可能發展為巨大潰瘍，甚至發生感染、導致截肢。Raspopovic教授團隊提出了NeuroLeg解決方案，透過襪子上的感測器將壓力訊號傳導至近端神經、進入大腦，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實問題需要解決，如，電極放置仍是侵入性的，如何減少手術損傷?電極產生的異物反應如何解決?這些都是在未來需要解決問題。Raspopovic教授總結道，服務於臨床的神經技術將推動更健康的老齡化，使每一個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

德國弗萊堡大學醫學中心神經外科教授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作。

傳統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這兩點。顳葉內側癲癇是一種常見的成人局灶性癲癇，影像學上常見海馬硬化。海馬區有著重要的功能，傳統的高頻深部電刺激對海馬區可能造成一定的副作用如抑鬱、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)來治療顳葉內側癲癇，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。在小鼠上進行的試驗表明，LFS小鼠與未受刺激的同窩小鼠具有相似的焦慮水平;LFS不會干擾空間導航，也不會干擾空間記憶的形成或回憶。這些發現可能可以轉化為臨床上更有效、安全的局灶性癲癇治療方案。

可以看到，對大腦發出指令、造成影響的科學方法非常豐富。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-臨床治療方法。在不遠的將來，我們還將修建更多通向大腦的陽關大道。

大腦殿堂中還蘊藏了哪些可能性，讓我們拭目以待。