Nature：给膀胱装个灯就能控制嘘嘘？
2019-01-05 学术经纬 学术经纬
近日发表于顶尖学术期刊《自然》的一项工作中，由神经科学家与材料工程师联合组成的研究团队，开发出了一种微型植入式设备。初看之下，它非常神奇——给膀胱装个灯，就能控制大鼠的神经活动，帮助动物恢复膀胱功能。
近日发表于顶尖学术期刊《自然》的一项工作中，由神经科学家与材料工程师联合组成的研究团队，开发出了一种微型植入式设备。初看之下，它非常神奇——给膀胱装个灯，就能控制大鼠的神经活动，帮助动物恢复膀胱功能。
这项研究的目的，是为遭受膀胱过度活动症（OAB）等疾病的人带来希望。膀胱过度活动症并不罕见，例如在美国有六分之一的人口受到相关症状的影响。中国的相关数据显示，40岁以上人群中每10人就有超过1人患膀胱过度活动症。膀胱过度活动的后果是膀胱在胀满之前便开始收缩，让人难以抑制地想要排尿。患者常常感到尿急，急切需要上厕所，甚至在去厕所的半途发生漏尿。这些症状给很多患者带来窘迫、焦虑、抑郁等心理障碍，并对社交、工作和个人生活造成限制，严重影响生活质量。
科学家们一直希望可以发展出长期控制膀胱的有效方法，但传统的电刺激调节技术有很多局限，比如连续刺激可能让患者感到不舒服和疼痛，或是干扰神经向其他器官发送的信号。“神经刺激无疑是有帮助的，但是过去的设备因为特异性不够，还是会有一些脱靶作用。”这项研究的负责人之一、华盛顿大学医学院的麻醉学教授Robert Gereau博士说。
现在，Gereau教授与研究团队开发的新设备希望避免这类不良作用。
研究人员想到了利用光遗传技术来特异性地控制动物的神经活动。他们向动物膀胱内“引入”对光信号敏感的视蛋白。借助病毒载体，这些视蛋白得以在神经细胞中表达，使神经细胞的活动能够被光信号开关所控制。
研究人员给动物的膀胱套上一个柔软、有弹性的应变计，它可以随着膀胱的充盈和排空而拉伸或收缩。同时植入的还有一对微型无机发光二极管（μ-ILED），用来直接照射膀胱，进行光控制。这套系统使用蓝牙通信向外部的手持设备发送信号，研究者可以实时读取数据，并对数据进行储存和分析，使用简单的算法来检测膀胱何时充满，何时排空，以及动物是不是尿频。
植入设备由五个关联部分组成：一个柔软、有弹性的应变计，一对用来给光的微型无机发光二极管（μ-ILED），一片薄薄的基站用于双向通信和无线操控，提供电力的单元，以及装在手持设备上的用户软件
“如果检测到膀胱频繁排空，外部设备就会发出信号，激活体内的微型LED，给膀胱的感觉神经元打光。”研究人员解释说，“接收到光信号后，感觉神经元的活动会减弱，恢复膀胱正常功能。”
这套闭环操作系统只有在检测到排尿问题时才提供光刺激，当生物体表现正常时，微型LED会关掉，停止刺激。
研究团队在膀胱功能障碍的雌性大鼠体内植入了这种设备，来观察其效果。植入后的7天内，动物没有明显炎症反应或体重/运动变化，说明植入设备没有给动物带来可见的身心伤害。药物诱导大鼠出现排尿问题后，该系统能够实时自动识别出病理类型，并触发LED刺激膀胱神经做出反应，使大鼠恢复正常的膀胱功能。
这张CT图显示了大鼠膀胱处植入的新型刺激系统
在实验动物身上获得的测试效果为将来应用于人类带来了希望。研究人员认为，把设备适当按比例放大，类似的系统也可以在人的身上发挥作用。长期来看，这项技术原理或许还可以带来更广泛的生物学应用，比如利用光信号刺激胰腺分泌胰岛素，刺激脊髓神经治疗慢性疼痛，等等。
在充满赛博朋克气息的科幻世界里，人类和机械完美地融合为一体，增强自身的机能。本次的研究成果则向我们表明，科幻成为现实的那一天，或许离我们已经不远了。
原始出处：
Mickle AD，et al.A wireless closed-loop system for optogenetic peripheral neuromodulation.Nature. 2019 Jan 2.
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