给你的神经元一个轻推：欧洲经委会的澳门威尼斯人注册网站研究人员使用光、声和微波来影响大脑功能
作者：Allison Kleber
尽管科学进步取得了令人难以置信的成就，但也许没有什么问题比改变我们自己思想的能力更具有挑战性了。这几乎是一种诗意的讽刺，人类智力的所在地努力穿透自己的内部运作；然而，把这个观点留给诗人，欧洲科学院的陈阳教授和程继欣教授正在对这个谜进行可测量的探索，尽管没有改变主观观点。他们试图在更机械的层面上改造大脑，改变大脑控制的各种生理过程的结果。这些澳门威尼斯人注册网站研究不仅提供了对整个大脑功能的新见解，而且还提供了更直接的临床应用。
神经调节是通过有针对性地将刺激或抑制因子直接传递到大脑的特定部位来改变神经活动的过程，它本身远非一个新概念。目前的应用显示出在治疗各种疾病方面的治疗前景，从癫痫、阿尔茨海默氏症到视力丧失。然而，正如大多数直接与人体最重要器官的微妙和复杂结构相互作用的过程一样，还有相当大的改进空间。
程教授和杨教授正在澳门威尼斯人注册网站研究使用光声学和微波两种新方法，从相反的角度：神经刺激和神经抑制来澳门威尼斯人注册网站研究神经调节。
光声刺激
临床目的的神经回路的激活和激发目前使用各种方法来实现，每种方法都有其优点和缺点。例如，基于电极的深部脑刺激（DBS）被用于治疗癫痫、阿尔茨海默氏症和帕金森病，但它既具有高度侵入性（电极必须植入大脑组织深处），也不是很精确。而光基因驱动，涉及改变神经元的基因，以对光刺激做出反应，已经显示出恢复视力的希望，但使用病毒载体来进行改变。当用于人类受试者时，会带来复杂的伦理问题。
聚焦超声作为一种神经刺激方法已经显示出一些前景，因为它是无创的，但提供了显著的穿透深度；然而，它在精度方面也存在不足。然而，光声技术——一种将光脉冲以超声波频率转换为声波的方法，已经广泛应用于生物成像——绕过了这一限制，将超声波的高穿透深度与光子学的高空间精度结合起来。
在美国国立卫生澳门威尼斯人注册网站研究院（NIH）大脑计划的资助下，生物医学工程系的程吉欣教授、杨晨教授和韩雪教授共同主持了一个正在进行的项目，探索和发展光声神经调节。《自然通讯》于2021年首次报道，3月下旬发表在《神经光子学》上的一篇专题文章描绘了他们的进展。
人们对这项新兴技术相当兴奋；正如程教授所指出的，“世界各地的公司和投资者都在找我们”，他们对它的潜在应用感兴趣。然而，正如SPIE新闻所指出的那样，光声神经调节还处于探索的早期阶段，还有许多悬而未决的问题。首先，光声神经调节是有效的，但澳门威尼斯人注册网站研究人员还不确定原因。显然，需要继续调查。与此同时，Cheng的团队有雄心勃勃的计划，为他们的新方法论改进和开发各种各样的应用程序和交付方法。
有一件事是肯定的：当涉及到光声学时，不仅仅是实验室介导的神经元感到兴奋。
微波抑制
虽然让这些神经回路都运转起来很有用，但也有相反的说法，正如陈阳教授可以告诉你的那样。另一种形式的调节，即神经抑制，可以非常有效地抑制不良和适应不良的神经活动。在波士顿大学技术开发办公室提供的7.5万美元点火奖的支持下，她确信自己找到了一种更好的方法来部署这一过程。
与光声一样，微波对人脑的穿透深度高，精度也高。早在20世纪70年代，低强度微波的应用超过一分钟就被证明可以显著减少特定神经元的放电；然而，到目前为止，这种作用的细胞和分子机制仍然未知和未被探索，其潜力尚未开发。
据杨教授介绍，微波对神经活动的抑制作用在非侵入性、非药物疼痛管理方面具有很大的前景，特别是在慢性神经性疼痛的情况下，这种疼痛源于影响体感觉系统的损伤或疾病；感觉神经系统中与触觉、温度等有关的部分这种情况通常与糖尿病、带状疱疹、艾滋病毒、坐骨神经痛、癌症和术后副作用有关，并且已被证明对止痛药和大多数其他疗法具有令人沮丧的抵抗力。
杨教授与合作澳门威尼斯人注册网站研究者程教授和澳门威尼斯人注册网站研究科学家陆兰建议开发一种小型的微创设备，使用微波神经抑制来治疗神经性疼痛，比目前任何可用的方法都更有效、更安全。这种无线供电的设备只有几毫米长，可以通过一个简单的门诊程序植入，甚至可能是注射。它直接位于目标神经束上，就像“按需重复注射利多卡因”一样，提供显著的——甚至可能是完全的缓解。
Yang的团队计划在不久的将来开始设计和制造这种设备的原型版本，并且医疗机构中的几位顾问已经表达了对未来合作的兴趣，如果该设备最终进入临床试验。
与此同时，杨教授及其合作者，化学系的程教授和崔强教授，在美国陆军作战能力发展司令部陆军澳门威尼斯人注册网站研究实验室65万美元的资助下，正在对微波神经调节的细胞和分子机制进行补充澳门威尼斯人注册网站研究。从这个机制的一个新的假设开始，与水的旋转频率有关，他们将通过各种实验和计算测试来寻求验证和额外的见解。
程继新教授是波士顿大学电气和计算机工程系光电和光电子学的首位西奥多·穆斯塔卡斯讲座教授。他在医学成像和无数其他光学技术和应用方面的开创性工作为他赢得了重大荣誉。
陈阳教授于2006年获得哈佛大学博士学位，目前在波士顿大学电气与计算机工程系和化学系担任双重职务。她的澳门威尼斯人注册网站研究兴趣包括基于纳米材料的光子学和电子学，用于神经调节和活细胞传感。