“聲控”大腦 未來可期

勞姬緹

馬斯克的腦機接口火了一陣子，果不其然又歸于沉寂。這也沒什么奇怪的，腦機接口技術(shù)中存在的侵入式設備感染、意外、電池等問題都會嚴重阻礙其發(fā)展。很少有人會愿意冒險成為“小白鼠”，參加這樣的實驗拿自己的大腦開玩笑。

但這并不意味這項技術(shù)就會停滯不前。作為一項聽上去未來前景相當不錯的技術(shù)，總有公司會搏一搏。比如說，F(xiàn)acebook便開發(fā)了一款利用近紅外光解碼腦電信號的可穿戴設備，不過還是被專家吐槽、嫌棄了，原因是非侵入式設備的精確性比較有限，無法有效辨析出復雜的腦電信號。

難道實現(xiàn)《黑客帝國》場景真的要等很久嗎？科學家顯然不會輕易放棄。另一個刺激神經(jīng)活動的技術(shù)——聲遺傳學（sonogenetics），其實一直在實驗室里醞釀生長。

2014年，亞利桑那州立大學的教授曾經(jīng)用超聲刺激大腦。到了2015年，《Nature》雜志的子刊《Nature Communications》公布了一種能激活特定神經(jīng)細胞的聲遺傳技術(shù)。但它一直沒能像光遺傳學技術(shù)一樣，被巨頭們選中并推至大眾面前。那么，是什么讓它近日開始被海外科技媒體所關(guān)注？

過去十年間，光遺傳學給神經(jīng)科學帶來了一場革命。

通過光來讀取和控制神經(jīng)活動，成為許多實驗室研究大腦基礎(chǔ)功能的標準工具。而且越來越多的人們開始相信，它能夠治療許多人類疾病，因此也被《Nature Methods》雜志評為過去十年中對生物學研究影響最深的十大技術(shù)之一。

但原理類似的聲遺傳學，即用聲音來控制腦部活動，其存在感和學術(shù)案例都要少得多。要搞清楚二者的區(qū)別在哪，我們首先需要知道聲遺傳學到底有什么本事。

2015年，Salk 研究所的副教授Sreekanth Chalasani發(fā)文。他提出了一種在體內(nèi)操縱神經(jīng)元和其他細胞的新方法——利用臨床上的醫(yī)學超聲波，通過線蟲作為載體，將一個能夠應答超聲波的膜離子通道，即蛋白質(zhì)TRP-4，添加到了線蟲的神經(jīng)元中。這種蛋白質(zhì)對超聲波壓力變化很敏感，因此Sreekanth Chalasani成功地用超聲波將其激活。

作者聲稱，聲遺傳學技術(shù)在治療疾病方面比光遺傳學更有優(yōu)勢。

從理論上看，這項發(fā)明的潛力確實不小，因為人體內(nèi)許多細胞都能應答TRP-4引發(fā)的活動。這意味著，超聲波理論上可以到達人體內(nèi)的任何組織，包括大腦，并通過TRP-4來激活。

不過，當時科學家并沒有在動物大腦上實驗，無從驗證該方法是否真的有效。但就在前不久，一項令人振奮的消息出現(xiàn)了。

美國國立衛(wèi)生研究院、卡夫利大腦與心智研究所和國防高級研究機構(gòu)（DARPA）等共同資助的一項神經(jīng)學研究，聲稱證實了超聲波能被操縱用來激活腦神經(jīng)元，并登上了《Nature》雜志。

首先，科學家選用了線蟲作為傳遞裝置，并對其進行了“基因改造”，為其神經(jīng)元中都添加上TRP-4，然后將其引入功能失調(diào)的腦細胞中。

接下來，科學家使用蝙蝠、鯨魚等動物都難以檢測到的超聲波頻率對這些腦細胞進行刺激。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些聲波切實改變了線蟲的活動方向，60分鐘實驗時間內(nèi)，安全地操縱其刺激神經(jīng)活動。

由此可以發(fā)現(xiàn)，雖然原理高度相似，但聲遺傳學相較于以往利用光來控制動物腦細胞的技術(shù)而言，其優(yōu)勢是顯而易見的。

首先，聲遺傳學最大的優(yōu)點是不需要大腦植入。

在過去的二十年里，腦神經(jīng)研究所使用的工具是光遺傳學，需要在動物大腦深處插入一根光纖，將光傳送到目標區(qū)域，從而激活帶有感光蛋白的神經(jīng)細胞。例如，患有帕金森氏病的動物可以通過對腦細胞進行特殊設計，使其具有光敏性，從而治愈他們的非自愿震顫。而這種手術(shù)要將一根探針植入大腦，聽起來是不是和馬斯克的“大腦縫紉機”一樣令人害怕？

而聲遺傳學只需要將TRP-4等聲敏物質(zhì)傳遞給腦部的蛋白質(zhì)，就可能完成精確導向并控制細胞的功能，并且已經(jīng)在心肌細胞、豬血等上面成功實驗了，患者接受起來更加容易。

其次，在精確度和可靠度上，聲音控制有更好的理論基礎(chǔ)。

神經(jīng)學治療的挑戰(zhàn)之一，就是可靠地激活單個神經(jīng)元，尤其是在更深的腦區(qū)域。目前的主要方法正是用侵入性手術(shù)來輸送特定波長的光，但由于光敏蛋白和光照在腦神經(jīng)元中很難分布均勻，并且會被大腦和機體其他組織散射掉，因此靠光遺傳學操縱腦細胞，有時會出現(xiàn)一定程度的預期外表現(xiàn)。

而超聲波則不同，低頻聲波能夠穿過深層和完好的組織，直接刺激大腦內(nèi)的神經(jīng)元簇，不存在散射問題。因此，刺激大腦深處的同時，也不會影響到人體內(nèi)的任何其他細胞。實驗顯示，連續(xù)重復690千赫與3兆赫之間的超聲波，能夠安全地減少慢性疼痛。

聲遺傳學的另一個巨大潛力在于，它幾乎可以控制所有類型的細胞。也就是說，從產(chǎn)生胰島素到心臟起搏，人體機能都可能因聲音而改變。比如研究人員目前就在測試超聲波是否能影響人體的代謝過程，如胰腺細胞的胰島素分泌。

未來有一天，聲遺傳學也許可以繞開藥物治療，無需腦外科手術(shù)，用于治療創(chuàng)傷應激、帕金森氏癥、癲癇、運動障礙到慢性疼痛的各種疾病。比如說去除癌細胞而不影響任何周圍的組織，并且沒有任何副作用……聽上去是不是很令人振奮？

當然，作為一項還在概念驗證階段的技術(shù)，“大腦聲控”還存在一些問題。

比如，想要將聲敏通道，也就是TRP-4蛋白引入特定的人體細胞，和控制線蟲可不是一個難度系數(shù)。要知道線蟲只有302個神經(jīng)元，用超聲波讓它們精確地導向神經(jīng)元，只需要在其中294個神經(jīng)元中添加TRP-4就可以了。但人類可不像線蟲，自身沒有TRP-4基因，如何讓聲敏蛋白進入大腦的目標區(qū)域，還需要人類臨床實驗進一步探索和驗證。

再比如，聲波刺激水平會不會讓神經(jīng)元應答超出生理范圍，從而帶來潛在風險，這一點很難評估。其實早在2012年，學界就在討論，讓“聲遺傳學”結(jié)合胎兒成像技術(shù)，來輔助先天性遺傳疾病的診斷。但這種非侵入性的產(chǎn)前檢測有可能產(chǎn)生誤導性的診斷，考慮到“胎兒優(yōu)先”的理念，一直沒有突破。

不過，從它的前輩——光遺傳學的發(fā)展腳步來看，從2005年實驗室誕生廣受質(zhì)疑，到如今在多個領(lǐng)域得到利用，為許多疾病的治療提供了新思路，甚至對人工智能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也有貢獻，不過短短十幾年的時間。

而它一出生就有著眾多盟友，比如聲敏材料的突破、人工智能分析能力的引入、獲取輸出信號的半導體技術(shù)等，在這些超級輔助之下，靠聲音控制大腦和機體，這一天或許會來得比想象更快。

試想一下，在不遠的未來，不需要手術(shù)就能在有缺陷的心臟上植入起搏器，不注射胰島素就可以控制血糖水平，甚至按一個按鈕就可以緩解癲癇發(fā)作，這樣的美麗新世界，或許會顛覆目前大家對腦機接口、可穿戴設備的所有想象。

雖然暫時還沒有科技巨頭為聲遺傳學開一場驚艷全球的發(fā)布會，但它依然值得我們在腦海里按下一個“收藏”鍵。

（編輯 宦菁 huanjing0511@sohu.com）