新型傳感器:能長時間監測大腦中的多巴胺!

2020-12-05 環球創新智慧

導讀

近日，美國麻省理工學院的神經科學家們設計出一種方法，可以測量大腦中的多巴胺超過一年時間。他們相信，這種方法將幫助他們學習到更多關於多巴胺在健康和疾病的大腦中的作用。

背景

生活中，我們往往會看到某些人會對某些事情迷戀到上癮的程度，舉個來說，吸菸。香菸中的尼古丁會令人上癮，主要原因就是：尼古丁會刺激神經元分泌一種神經傳導物質，令人感到快感。

這種神經傳導物質就是：多巴胺（Dopamine）。它是一種遍布大腦的信號分子，在調節人類情緒以及控制運動方面都扮演著非常重要的角色。許多疾病例如帕金森氏病、抑鬱症、精神分裂症都與缺乏多巴胺相關。

創新

美國麻省理工學院（MIT）的神經科學家們設計出一種方法，可以測量大腦中的多巴胺超過一年時間。他們相信，這種方法將幫助他們學習到更多關於多巴胺在健康和疾病的大腦中的作用。

麻省理工學院研究所教授、麻省理工學院麥戈文腦科學研究所（McGovern Institute for Brain Research）、論文高級作者之一的 Ann Graybiel 表示：「儘管多巴胺一直被認為是大腦中關鍵的信號分子，與神經病、精神狀況以及學習能力相關，但是卻一直沒有辦法在線監測一段時間內多巴胺釋放的變化，這段時間長到足以與臨床狀況關聯起來。」

材料科學與工程系工程教授、麻省理工學院科赫綜合癌症研究所（Koch Institute for Integrative Cancer Research）成員 Michael Cima 以及科赫研究所成員、教授 Rober Langer 也是論文的高級作者。麻省理工學院博士後 Helen Schwerdt 是論文的領導作者，論文於9月12日在《 Communications Biology》期刊上發表。

（圖片來源：Felice Frankel）

技術

多巴胺，是大腦中神經元相互通信所用的許多神經遞質之一。傳統的測量多巴胺的系統：軸直徑達100微米的碳電極，只能可靠地使用達一天，因為它們會製造出傷痕組織，這些疤痕組織會干擾電極與多巴胺交互的能力。

2015年，麻省理工學院的團隊演示了一種微加工的微型傳感器，這種傳感器可用於測量大腦紋狀體部分中的多巴胺水平，紋狀體含有生產多巴胺的細胞，這些細胞對於習慣形成與獎賞強化學習來說非常關鍵。

因為這些探針非常小（直徑約10微米），研究人員能植入多達16個這種探針，來測量紋狀體不同部位的多巴胺水平。在新研究中，研究人員想要測試他們是否能用這些傳感器來進行長期的多巴胺追蹤。

（圖片來源：參考資料【2】）

Schwerdt 表示：「從一開始起，我們的基本目標就是製造出長時間工作而且每天可以生成精準讀數的傳感器。如果你想要理解這些信號對於特定疾病或健康狀況的影響，這很有必要。」

為了開發出一種能夠長時間精準的傳感器，研究人員必須保證它不會引起免疫反應，從而避免傷痕組織影響讀數的精準度。

麻省理工學院的團隊發現，即使在很長的時間內，他們的微型傳感器對於免疫系統來說幾乎是「不可見的」。傳感器植入之後，小膠質細胞群（響應短期損傷的免疫細胞）以及星狀膠質細胞（響應周期更長），與它們在無探針插入的大腦組織中的情況一樣。

這項研究中，研究人員在每個動物的紋狀體中植入三到五個傳感器，深度約5毫米。當刺激腦幹釋放多巴胺（傳遞至紋狀體）之後，他們每幾周讀取一遍數據，發現測量數據保持一致達393天。

（圖片來源：參考資料【2】）

價值

Schwerdt 表示：「這是首次有人展示這些傳感器可以工作超過數月。它使得我們對於這些傳感器有朝一日應用於人類感到自信。」

研究人員稱，如果為了應用於人類的目標而開發，這些傳感器對於監測接受深部腦刺激的帕金森氏病患者將很有作用。這種治療包括植入一個電極，向大腦深處的結構釋放電脈衝。採用傳感器監測多巴胺水平將幫助醫生更具選擇性地傳遞刺激（只在必要的時候）。現在，研究人員正在研究用傳感器測量大腦中的其他神經遞質以及電信號，這些電信號在帕金森氏病和其他疾病中也會被擾亂。

Schwerdt 表示：「理解化學活動與電氣活動之間的關係，對於理解在帕金森氏病中所看到的問題來說，真的很重要。」

關鍵字

醫療、傳感器、神經

參考資料

【1】http://news.mit.edu/2018/brain-dopamine-tracking-sensors-0912

【2】Helen N. Schwerdt, Elizabeth Zhang, Min Jung Kim, Tomoko Yoshida, Lauren Stanwicks, Satoko Amemori, Huseyin E. Dagdeviren, Robert Langer, Michael J. Cima, Ann M. Graybiel. Cellular-scale probes enable stable chronic subsecond monitoring of dopamine neurochemicals in a rodent model. Communications Biology, 2018; 1 (1) DOI: 10.1038/s42003-018-0147-y

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