微型灵活的脊柱探针系统可以带来更好的治疗

脊髓甚至比大脑更难进入和研究。其移动性和解剖结构带来的挑战使得准确理解其功能变得困难。

莱斯大学的工程师将与合作者合作，优化一系列纳米电子线(NET) ——已成功用于从大脑神经元收集高保真长期数据——用于脊柱，由 625 万美元、四个项目的支持国立卫生研究院的年度资助。

除了神经元活动记录之外，NET 探针还可以对相邻神经元提供可调节的局部刺激。Rice 神经工程师还希望通过将 NET 集成到更大规模的数据处理系统中来最大限度地提高 NET 的功能带宽。

这种新工具可以帮助神经科学家破解脊髓功能的秘密，并为处理受伤和其他相关疾病的患者带来新的希望。

“到目前为止，我们还没有很好地了解脊髓中的神经元实际上是如何工作的，”该资助项目的首席研究员、电气与计算机工程和神经工程副教授谢崇说。“例如，如果你移动手臂或四处走动，你的大脑就会有意图，肌肉就会完全按照你想要的方式运作。这种将最初意图转化为每块肌肉的特定运动的过程是在脊髓中操作和实现的，其中由许多神经元组成的回路负责执行这项工作。但我们并不确切知道这是如何实现的。”

使用电极追踪大脑中的神经元活动使神经科学家能够了解有关大脑功能的大量信息。Xie和合作者开发的柔性NET探针与脑组织无缝集成，在用于记录大脑中单个神经元的电信息时，其性能比刚性探针更好。

初步测试表明，NET探针可以对小鼠脊髓神经元实现高质量、长时间的记录。然而，科学家们打算进一步使神经网络适应脊髓的特定结构和功能需求。

在大脑中，神经元或灰质以及称为白质的神经纤维束的分布 与脊髓解剖结构完全相反。

“我们通常将其称为脊髓的‘由内而外的解剖结构’，”电气和计算机工程助理教授、该资助项目的联合研究员兰兰(Lan Luan)说。“大脑的外层——灰质——是神经元所在的地方，而称为白质的纤维位于内部。在脊髓中，白质或纤维位于外部，保护神经元。这使得访问这些神经元变得更具挑战性。”

为了确保更好的访问，科学家计划开发一种探针设计，该探针设计足够小，可以植入脊柱的不同部位，但具有更大的深度覆盖范围和足够的通道来捕获脊髓横截面神经元的数据。

另一个目标是为探针配备除了记录功能之外的刺激功能。

“电极可以做到这两点，”栾说。“这与健康有直接关系，因为对于脊髓损伤或其他类型损伤的患者来说，刺激可能是恢复精细运动控制的一种方法。有几种非常成功的技术表明刺激脊髓可以恢复局部运动。但为了实现更精细的运动控制，我们认为我们需要进入绳索内部，并有更大程度的接触和精确度来施加这种刺激。”

脊髓在疼痛过程中发挥着重要作用，因此确定哪些脊髓神经元直接参与疼痛信号传递可以为更好的疼痛管理疗法打开大门。

谢说：“识别在处理疼痛信息中发挥重要作用的特定类型的脊髓神经元可能有助于开发精确靶向这些细胞的药物。” “或者我们可以使用电极来刺激这些神经元并调节它们的活动，这样它们就不会向大脑传递疼痛信号。”

科学家们计划不仅优化探针设计，还计划将脊柱网络整合到一个极其小型化的集成数据处理和刺激反馈系统中。

除了开发这项技术外，谢、栾和他们的团队还与索尔克生物研究所 的Pfaff 实验室、 卡内基梅隆大学的Weber 实验室以及加州大学旧金山分校的Basbaum 和Ganguly实验室合作进行了一系列研究脊髓研究将测试不同脊柱区域、动物模型和研究主题的设备。 栾说，她希望开发和优化基于 NET 的脊髓研究技术将“提供一种工具，可以帮助整个神经科学界对脊髓功能有更基本的了解。”

“我真正的希望是，四年后，在这个项目结束时，神经科学家将能够看到并做出当前技术不可能实现的新事物，”谢说。