可拉伸探针可以测量大脑中与帕金森氏症、抑郁症和肠道疾病相关的化学物质

脑化学失衡是许多神经系统疾病的核心。这些大脑化学物质也在肠道健康中发挥作用。因此，斯坦福大学的科学家们发明了“神经弦”——一种柔软的可植入探针，可以与大脑和肠道组织无缝连接。他们在2022年6月2日发表的一篇论文中描述了这个探测器自然．它在抑郁症、帕金森病和肠道疾病方面有潜在的应用。

“人们试图了解大脑的主流方式是阅读和记录电信号，”该论文的第一作者李金星说。“但化学信号在大脑交流中发挥着同样重要的作用，它们也与疾病直接相关。”李作为博士后在斯坦福大学化学工程系鲍哲南的实验室开始并完成了这项工作;他现在是密歇根州立大学生物医学工程助理教授。

NeuroString措施多巴胺和5 -羟色胺，两种化学信使进行调节电信号在神经元。多巴胺最为人所知的是它在大脑奖励系统中的作用;血清素是百忧解等抗抑郁药的目标。两者也与运动、睡眠、食欲和消化有关。

测量多巴胺和血清素的植入物已经存在，但它们是由玻璃管包裹的刚性碳棒制成的。“这些都是非常坚硬的探针。它们很脆，”李说。植入物不仅会破碎，还会摩擦大脑中柔软的组织，从而引发炎症大脑细胞并降解植入物。

鲍的实验室设计了一个软探针。“我的团队研究软电子产品已经有一段时间了，”鲍教授说，他是斯坦福大学工程学院化学工程系的主任兼k.k.l ee教授。探针是由石墨烯这是一种原子级薄的碳。鲍的团队使用激光将李所说的“毛状缠绕的石墨烯网络”雕刻到塑料中。这种塑料含有的分子可以在石墨烯表面变成纳米颗粒点，可以提高同时测量多巴胺和血清素的灵敏度和选择性。然后，研究人员将网络嵌入橡胶矩阵中。

李解释说:“石墨烯本身的可拉伸性不是很强，但如果它像网状物一样缠绕在橡胶中，它就会变得可拉伸。”

鲍补充道:“这就像一个基利米。如果你剪下图案，然后你可以拉伸它，你会看到一些中空的连接的纸网。这里也是一样，但网络是由石墨烯片制成的。”神经弦和生物组织一样柔软。鲍说:“这种传感器柔软而富有弹性，就像橡皮筋一样，植入大脑或肠道时不会造成损伤，不仅柔软，而且还能不断移动。”

为了测试探测器，Bao的团队与斯坦福大学生物学、精神病学、胃肠病学和外科的科学家合作。“我认为这是斯坦福大学最荣幸的地方:它非常开放和合作，”李说。

在一项实验中，研究小组将NeuroString植入同一只老鼠的大脑和肠道。当他们给老鼠喂巧克力糖浆时，NeuroString检测到大脑中多巴胺的峰值和肠道中血清素的峰值——两者都是对巧克力的预期反应。多巴胺在大脑中产生，而血清素主要在肠道中产生。在另一项实验中，NeuroString检测到与健康小鼠相比，肠道炎症小鼠肠道血清素的独特模式。

“我们第一次看到探测器发出的信号是一个顿悟的时刻，”合著者、生物学副教授陈晓科说。“长期记录自由运动动物的多巴胺和血清素信号是我们一直想做的一个梦想实验。通过这次美好的合作，我们得以实现这一目标。”

植入的小鼠行为和饮食正常，排便正常。“令人兴奋的是，这个工具似乎并没有破坏组织的正常功能，”合著者、医学教授Aida Habtezion说。她说，这意味着这种植入物有一天可以用于人类的实时监测，类似于智能手表，但能够跟踪生化水平，而不是心率或步数。Habtezion目前正在休假，担任辉瑞公司的首席医疗官，但她在斯坦福大学期间就为这项工作做出了贡献。

跟踪肠道中的血清素水平可能有助于诊断和监测肠道疾病，如肠易激综合征。追踪大脑中的多巴胺水平可能对帕金森病有用，帕金森病是由缺乏多巴胺引起的。治疗帕金森病的方法之一，深部脑刺激它的部分工作原理是刺激神经元产生更多的多巴胺。如果深部脑刺激器可以与NeuroString配对，这将使医生能够精确控制多巴胺的释放量。

这种植入物还没有准备好用于临床。首先，探针仍然连接在读出信号的电线上;无线版本将需要用于人类。同时，该探针在研究中有许多用途。例如，像百忧解这样的抗抑郁药通过调节血清素水平起作用，这可以解释为什么它们有时会引起胃肠道副作用，陈说。“我们现在有了工具，可以实时监测这些药物对小鼠模型中大脑和肠道血清素波动的影响。”

他补充说:“现在我们已经证明了探测器的作用，我们想要解决的生物学问题有一长串。”

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