科幻電影《阿凡達》中，男主角依靠大腦直接與外界進行通信，控制其替身在潘多拉星球作戰。這種出現在科幻電影里的“意念控制”和“心靈感應”有望在現實中實現嗎？
答案是肯定的！在過去的10到15年間，大量的科研人員和公司一直試圖重新定義如何使用我們的大腦。實現腦機接口（BCI）可用于控制玩具、達到“更好”的冥想狀態、控制機器人、或用作癱瘓肢體系統的恢復。美國聯邦機構甚至承諾，有能力實現加速學習、心靈感應、擴展和轉移記憶，或與支持AI的機器共生。
一般來說，完成高階任務需要更多的侵入性BCI設備與大腦內更精細的神經元群體進行通信。大腦中單個或小群神經元的神經記錄不僅以侵入性為代價，而且還以破壞植入裝置和神經退行性的自毀性炎癥反應為代價，最終導致BCI過早衰竭。因此，許多團隊已經嘗試制定策略以規避對腦結構內長期植入的神經探針的神經炎癥反應。
第一作者：Xiao Yang, Tao Zhou,Theodore J. Zwang
通訊作者：Charles M. Lieber
通訊單位：哈佛大學
2019年2月26日，哈佛大學素有“納米鼻祖”之稱的Charles Lieber教授領導的團隊報道了一種仿神經元設計的神經探針電子器件，這些神經探針試圖模仿神經元的細胞結構特征和機械特性，使這些裝置能夠逃避典型的炎癥過程。研究人員認為，在經常被測試的條件下，更小，更靈活的設備將減少神經炎癥反應并改善腦駐留電子設備的功能記錄性能。
Lieber的團隊使用光刻技術開發了他們的“仿神經元電子器件”（NeuE），其總體厚度僅為~0.9μm，與有髓鞘的軸突相當（圖1a）。他們利用以前發表的插入方法，將這種神經探針成功地植入約80％的動物腦結構中。植入的NeuE裝置的完整三維映射顯示了NeuE裝置和天然神經元之間的完美貼合（圖1b）。
NeuE技術的一個顯著優勢在于，神經電子設備尺寸的進一步減?。ㄒ虼丝深A測地減少神經炎癥），同時仍然允許在腦的深部區域中可靠地植入。在這項研究中，研究人員在SU-8聚合物基板上制造的神經探針，橫截面僅為10μm×1.5μm，可以實現穩定的神經記錄和無縫組織整合。但是，更小，更靈活的裝置難以植入而不會彎曲，因此，其植入過程需要特殊的技藝。
值得一提的是，研究人員不僅在90天的電生理學研究期間報告了來自相同神經元的穩定的單個單元記錄，而且他們還在植入后數周內測量了在整個研究期間保持的額外單元（圖1c）。與大多數BCI探針不同的是，NeuE探針在探針-組織界面處沒有表現出神經元密度的初始損失，假插入和植入裝置都沒有發現可檢測的神經炎癥或神經變性。這表明，通過單一單元記錄所檢測到的不同神經元數量的增加，不太可能是由于其他研究中所見的組織重塑或水腫減少引起。
因此，Lieber團隊考慮了神經元數量增加的另一種來源，即內源性神經前體細胞（NPC）的遷移（圖1d）。將0.9μmNeuE探針與其先前報道的20μm直徑神經網狀裝置進行比較表明，內源NPC的細胞粘附和遷移受神經元樣探針的形狀調節。研究人員還推測，NPC遷移可能有助于觀察組織愈合和檢測其他單元的神經尖峰。
當然，植入物-組織界面募集NPC背后的機制還有待進一步研究，以實現對植入電子器件所引發的天然神經炎癥反應的進一步抑制。也許，這種機制對治療腦損傷和神經退行性疾病會起到很大幫助。雖然最初的小鼠植入研究是一個很有希望的起點，但是當這些裝置試圖擴展植入到人類時，必須進一步評估生物相容性和長期性能。
總之，“仿神經元電子器件”魔力無限，“心靈感應”未來可期！
參考文獻：
Xiao Yang, Tao Zhou, Theodore J. Zwang, CharlesM. Lieber et al. Bioinspired neuron-like electronics. Nature Materials 2019.
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0292-9
