脑科学|控制大脑的黑科技，是进步还是伦理挑战？脑科学|投稿

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图片来源@视觉中国

文丨学术头条，作者丨刘芳，编审丨王新凯

在科幻电影中，我们经常能看到控制另一个人大脑的超能力场景，但从科学的角度来看，这并非不可实现。
近日，圣路易斯华盛顿大学麦凯尔维工程学院（McKelvey School of Engineering at Washington University）的研究人员将近红外激光和纳米材料相结合，成功改变了大脑和心脏神经细胞的活动。
相关成果以 Reversible Photothermal Modulation of Electrical Activity of Excitable Cells using Polydopamine Nanoparticles 为题目，发表在 2021 年 7 月的《先进材料》（Advanced Material ）杂志上。

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用光和纳米材料控制大脑和心脏事实上，用纳米颗粒和光热效应来改变神经细胞并不是异想天开。
早在 2018 年，日本 RIKEN 脑科学研究所的 Thomas J. McHugh、Shuo Chen 和新加坡国立大学刘小钢团队就曾证实，可以通过在小鼠脑部注射纳米颗粒，并对其进行红外光照射来沉默癫痫神经元，或激起小鼠的恐惧回忆。
在这项最新研究中，材料科学家 Srikanth Singamaneni 和生物医学工程师 Barani Raman 进一步证实，将聚多巴胺（PDA）纳米颗粒和近红外光（NIR）相结合的“黑科技” ，可以用来控制脑神经细胞的峰值电位和心肌细胞的搏动频率，且操作具有可逆性。
华盛顿大学机械工程与材料科学系教授 Singamaneni 说：“我们证明可以抑制（大脑）神经元的活动，并可以通过控制激光强度分级抑制它们放电。一旦我们停止光线刺激，神经元就会完全恢复正常且不会造成任何损伤。”

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图 | 大脑神经元发电示意图（来源：哈佛大学）
除了对培养的脑神经细胞进行研究之外，研究小组还将 PDA 纳米颗粒应用于调控心肌细胞活动上。
有趣的是，光热效应使心肌细胞兴奋，而并不是像大脑神经细胞一样抑制神经元的放电过程。这表明 PDA 纳米颗粒可以根据靶向细胞的类型不同而增加或降低细胞的兴奋性。
Barani Raman 说：“无论是心肌细胞还是肌肉细胞，其兴奋性在一定程度上都取决于（纳米颗粒的）扩散速度。虽然心肌细胞的活动有自己的规律，但用温度控制纳米颗粒和神经结合的基本原理是一样的。”
不仅如此， PDA 纳米颗粒还具有高度的生物相容性和生物降解性。也就是说，这种物质可以做到悄无声息地消失在人体里。
Singamaneni 解释道：“这就好比把咖啡伴侣倒入热咖啡中，它会在扩散过程中溶解。如果能够很好的控制温度的话，就可以控制纳米颗粒的扩散速度，进而影响神经元活动。这项研究证明，在被纳米颗粒包围的神经元附近进行光热效应（将光转化为热）可以成为远程操控特定神经元的一种方式。”