大脑可以被“声控”了？

图片来源@Unsplash

文｜脑极体

马斯克的脑机接口火了一阵子，果不其然又归于沉寂。本来么，这种侵入式设备感染、意外、电池等都是问题，听着就让人脑阔一痛，只有病情严重的植物人或者中风患者才愿意冒险成为"小白鼠"。

紧随其后的Facebook 利用近红外光来解码脑电信号的可穿戴设备，也被专家们吐槽了一阵子，原因是非侵入式设备的精确性比较有限，无法有效辨析出复杂的脑电信号。

这么说想要实现黑客帝国就只能枯等啦？科学家们岂是就这么服输的。另一个刺激神经活动的技术---- 声遗传学（sonogenetics），其实一直悄然在实验室里酝酿生长。

2014年，亚利桑那州立大学WilliamTyler曾经用超声刺激大脑。到了2015年，Nature子刊《Nature Communications》公布了一种能激活特定神经细胞的声遗传技术。但它一直没能像光遗传学技术一样，被巨头们选中并推至大众面前。那么，是什么让它近日开始被海外科技媒体所关注的呢？

站到聚光灯下的sonogenetics，究竟能干啥？

过去十年间，光遗传学给神经科学带来了一场革命。

通过光来读取和控制神经活动，成为许多实验室研究大脑基础功能的标准工具。而且越来越多的人们开始相信，它能够治疗许多人类疾病，因此也被《Nature Methods》杂志评为过去十年中对生物学研究影响最深的十大技术之一。

但原理类似的声遗传学，即用声音来控制脑部活动，其存在感和学术案例都要少得多得多。要搞清楚二者的区别在哪儿，先来说说后来居上的sonogenetics到底有什么本事。

2015年，Salk 研究所的副教授Sreekanth Chalasani发文，提出了一种在体内操纵神经元和其他细胞的新方法---- 利用临床上的医学超声波，通过线虫作为载体，将一个能够应答超声波的膜离子通道---- 蛋白质TRP-4，添加到了线虫的神经元中，这种蛋白质对超声波压力变化很敏感，然后成功用超声波将其激活。

作者声称，声遗传学技术在治疗疾病方面比光遗传学更有优势。

从理论上看，这项发明的潜力确实不小，因为人体内许多细胞都能应答TRP-4引发的活动。这意味着，超声波理论上可以到达人体内的任何组织，包括大脑，并通过TRP-4来激活。

不过，当时科学家并没有在动物大脑上实验，无从验证该方法是否真的有效。

但就在前不久，"实锤"出现了。

美国国立卫生研究院、卡夫利大脑与心智研究所和国防高级研究机构（DARPA）等共同资助的一项神经学研究，声称证实了超声波能被操纵用来激活脑神经元，并登上了《nature》期刊。

首先，科学家选用了线虫作为传递装置，并对其进行了"基因改造"，为其神经元中都添加上TRP-4，然后将其引入到功能失调的脑细胞中。

接下来，使用蝙蝠、鲸鱼等动物都难以检测到的超声波频率，结果发现，这些声波切实改变了线虫的活动方向，实验的60分钟时间内，安全地操纵其刺激神经活动。

（超声信号改变了线虫的行为）

本是同根生：声遗传学是如何碾压 "前辈"的？

由此我们可以发现，虽然原理高度相似，但声遗传学相较于以往利用光来控制动物脑细胞的技术而言，其优势是显而易见的：

首先，声遗传学最大的优点是不需要大脑植入。

在过去的二十年里，脑神经研究所使用的工具是光遗传学，需要在动物大脑深处插入一根光纤，将光传送到目标区域，从而激活带有感光蛋白的神经细胞。例如，患有帕金森氏病的动物可以通过对脑细胞进行特殊设计，使其具有光敏性，从而治愈他们的非自愿震颤。而这种手术要将一根探针植入大脑，听起来是不是和马斯克的"大脑缝纫机"一样令人发憷？

而声遗传学只需要将TRP-4等声敏物质传递给脑补的蛋白质，就可能完成精确导向并控制细胞的功能，并且已经在心肌细胞、猪血等上面成功实验了，病人接受起来更加容易。

如何使用超声将声敏药物递送至大脑的精确目标

其次，在精确度和可靠度上，声音控制有更好的理论基础。

神经学治疗的挑战之一，就是可靠地激活单个神经元，尤其是在更深的脑区域。目前的主要方法正是用侵入性手术来输送特定波长的光，但由于光敏蛋白和光照在脑神经元中很难分布均匀，并且会被大脑和机体其他组织散射掉，因此靠光遗传学操纵脑细胞，有时会出现一定程度的预期外表现。

而超声波则不同，低频声波能够穿过深层和完好的组织，直接刺激大脑内的神经元簇，不存在散射问题。因此，刺激大脑深处的同时，也不会影响到人体内的任何其他细胞。实验显示，连续重复690千赫与3兆赫之间的超声波，能够安全地减少慢性疼痛。

声遗传学的另一个巨大潜力在于，它几乎可以控制所有类型的细胞。也就是说，从产生胰岛素到心脏起搏，人体机能都可能因声音而改变。比如研究人员目前就在测试超声波是否能影响人体的代谢过程，如胰腺细胞的胰岛素分泌。

未来有一天，声遗传学也许可以绕开药物治疗，无需脑外科手术，用于治疗创伤应激、帕金森氏症、癫痫、运动障碍到慢性疼痛的各种疾病。比如说去除癌细胞而不影响任何周围的组织，并且没有任何副作用……听上去是不是很刺激？

当然，作为一项还在概念验证阶段的技术，"大脑声控"还存在许多bug：

比如，想要将声敏通道，也就是TRP-4蛋白引入特定的人体细胞，和控制线虫可不是一个难度系数。要知道线虫只有302个神经元，用超声波让它们精确地导向神经元，只需要在其中294个神经元中添加TRP-4就可以了。但人类可不像线虫，自身没有TRP-4基因，如何让声敏蛋白进入大脑的目标区域，还需要人类临床实验进一步探索和验证。

再比如，声波刺激水平会不会让神经元应答超出生理范围，从而带来潜在风险，这一点很难评估。其实早在2012年，学界就在讨论，让"声遗传学"结合胎儿成像技术，来辅助先天性遗传疾病的诊断。但这种非侵入性的产前检测有可能产生误导性的诊断，考虑到"胎儿优先"的理念，一直没有突破。

（2005-2015的光遗传相关论文数量）

不过，从它的前辈---- 光遗传学的发展脚步来看，从2005年实验室诞生广受质疑，到如今在多个领域得到利用，为许多疾病的治疗提供了新思路，甚至对人工智能产业的发展也有贡献，不过短短十几年的时间。

而一出生就有着众多盟友，比如声敏材料的突破、人工智能分析能力的引入、获取输出信号的半导体技术等等，在这些超级辅助之下，靠声音控制大脑和机体，这一天或许会来的比想象更快。

试想一下，在不远的未来，不需要手术就能在有缺陷的心脏上植入起搏器，不注射胰岛素就可以控制血糖水平，甚至按一个按钮就可以缓解癫痫发作，这样的美丽新世界，或许会颠覆目前大家对脑机接口、可穿戴设备的所有想象，也说不定呢？

虽然暂时还没有科技巨头为sonogenetics开一场惊艳全球的发布会，但它依然值得我们在脑海里按下一个"收藏"键。

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