高科技
对可注射脑植入物的探索已经开始
用于治疗帕金森病和瘫痪的硬电极会损伤大脑的软组织。一项新发明可能会改变这种情况。
我们的世界上有成千上万个人类机器人。其中一些是帕金森氏症患者，他们可以通过激活深度植入其大脑内部的金属电极来关闭震颤。其他人——虽然数量要少得多——则是完全瘫痪的人，他们可以通过自己体内的植入物移动机器手臂。这样的技术可以从根本上改善某个人生活质量。但它们存在一个主要问题：金属和大脑之间非常不相容。
大脑具有果冻般的质地——如果过分施加压力，它们就会裂成易碎块。用导线探测大脑时存在暴力行为。“这就像把刀子插进组织里面一样。” 瑞典林雪平大学有机电子学教授Magnus Berggren说道。
更糟糕的是，虽然电极相对固定在原位，但大脑会在其周围晃动和移位，导致更多的损伤。身体通过形成瘢痕组织来应对这种情况，逐渐将电极与它所记录或刺激的神经元隔离开来。由于有了瘢痕组织，用于治疗完全瘫痪人士大脑内部的类似小型毛刷一样的设备——尤他阵列通常在约五年后被取出，并且恢复了移动或说话能力的患者再次变得沉默不语。
自至少上世纪50年代以来，科学家们已经认识到电极可能造成广泛损害。几代工程师一直努力解决这个问题，制作越来越小、越来越灵活的设备，但是这些设备也存在缺陷。没有好方法可以将柔性电极深入大脑中，并且即使放置在大脑表面时，在长时间内这样的电极也可能无法很好地发挥作用。
但是Berggren和他的同事认为他们可能已经开发出了一种解决方案。他们设计了一种凝胶，当注射到身体组织中时，会固化成电导聚合物。这个过程有点像将熔融金属倒入模具中，只不过这种凝胶显然是无害的，并且形成的电极与周围的脑组织一样柔软可动。
该团队在二月份发表了他们在《科学》杂志上的研究结果。到目前为止，他们已经在活着的斑马鱼和死亡水蛭中测试了这种材料，在两种情况下都形成了可以成功传递电流的电极。而且这些电极似乎很安全：注入物质后斑马鱼仍然快乐地游来游去，当科学家杀死鱼并切割它们大脑时，并没有看到任何瘢痕。即使最终完全嵌入电极内部的神经元也看起来健康。
但人类非常不同，Berggren从经验上知道，在一个生物体内有效并不意味着对另一个生物体也有效。因此，在此项目中，他开始尝试使用他已经设计的分子在植物中形成导电聚合物。但是当他尝试将该分子用于动物时，什么也没有发生。“这个项目的第一年完全失败了，”他说。
最终，在Berggren实验室工作的助理教授Xenofon Strakosas找到了问题所在：在植物中，过氧化氢有助于注入材料结合在一起，但是动物体内没有足够的过氧化氢使反应发生。因此Strakosas向混合液中添加了其他元素：一个酶利用常见于动物组织中的葡萄糖或乳酸产生过氧化氢，并且另一个酶降解过氧化氢。突然间，电极完美地形成了。
对于像瑞典查尔默斯理工大学的生物电子微技术教授Maria Asplund这样的专家来说，人体内部锻造电极的想法是全新的。“化学家可以让我无法想象的事情发生，”她说。但是已经花费十多年时间致力于创建更加适合大脑使用的电极的阿斯普伦德并不打算放弃她试验过并证明有效性方法来制作电极。首先，这种新工具尚未在哺乳动物身上进行测试，没有人知道它在体内能够持续多长时间。最重要的是，虽然电极可能能够成功地传导电信号，但Berggren和他的同事们没有解决从大脑中获取这些信号以便科学家实际观察到它们或者发送当前使得可以用于大脑刺激。
他们有许多选择。其中之一是将绝缘线直接插入电极中以将其信号从深处传输到头骨表面，在那里科学家可以测量它们。然而，该线可能会对脑组织造成损伤，这正是团队试图避免的。相反，他们可能会尝试设计其他组件，这些组件像电极一样可以在大脑内自我组装，以便信号可以从外部无线读取。
如果Berggren和他的同事们找到了与他们的电极通信的方法，他们仍将难以与Neuropixels等最先进设备竞争，后者可以同时记录数百个神经元。德克萨斯州莱斯大学电气和计算机工程副教授Jacob Robinson说，在软性电极方面实现那种精度可能会很困难。“性能和侵入性之间通常存在权衡，”他说。“工程挑战是推动这个界限。”
起码在开始阶段，软性电极可能更适合用于脑刺激，因为它不需要那么精确。匹兹堡大学生物工程教授、研究猴子脑机接口的Aaron Batista表示，即使是不太准确的记录也可以让完全瘫痪的人受益。软性电极可能无法通过直接测量某人的脑信号来产生流利的语音——但对于完全不能移动的患者来说，仅仅能够传达“是”或“否”就会有很大的改善。
然而聚合物电极并不只是传统电极更安全、更混乱版本。由于它们只在特定物质存在时形成，所以可以用来针对具有特定化学特征组分的大脑部位。Berggren和Strakosas计划调整他们的配方，使凝胶只在大量乳酸可用(即非常活跃) 的大脑区域固化。使用这种策略，他们可以专门针对某个人癫痫发作起源地点附近进行治疗。他们将很快在癫痫小鼠中测试这种方法。原则上，他们还可以创建一种材料，不使用葡萄糖或乳酸，而是使用其他物质来帮助电极形成——例如某种特定的神经递质。这样，电极最终只会出现在高含有该特定神经递质的大脑部位中，这将使神经科学家能够精确地针对特定的大脑区域。
如果Berggren和他的团队成功克服前面所述的科学障碍，则他们最后一个任务将是应对管理医疗设备的法规棘手问题。无法预测这可能需要多长时间，尤其是对于如此新颖的材料而言更加不确定。但Batista仍然认为，无论它离我们有多远都标志着电极技术开启了一个新时代。
“我不能确定今天任何人是否会接受可弯曲电子神经植入物。” 他说，“但现在似乎很可能会有一天。”