麻省理工学院的工程师们研发了一种全新的光遗传技术，可以操控大脑和肠道之间的神经连接，有望为消化健康与神经系统疾病之间的关联提供新的洞察。

大脑和消化道之间进行持续的交流，传递信号以帮助控制进食和其他行为。这个广泛的沟通网络还影响着我们的精神状态，并在许多神经系统疾病中起到重要作用。

麻省理工学院的工程师们为探索这些连接设计了一项新技术。利用嵌有各种传感器的纤维以及用于光遗传刺激的光源，研究人员展示了他们能够在小鼠身上控制连接胃肠和大脑的神经回路。

在一项新的研究中，研究人员展示了通过操控肠道的细胞可以诱发小鼠产生饱腹感或寻求奖励的行为。在未来的研究中，他们希望探索消化系统健康与自闭症、帕金森病等神经系统疾病之间观察到的一些相关性。

“在这里令人兴奋的是，我们现在拥有能够驱动肠道功能和行为（如进食）的技术。更重要的是，我们具备了使用光遗传学以毫秒级别的精确度开始探索肠道与大脑之间相互作用的能力，而且我们可以在动物行为中进行。”材料科学与工程Matoula S. Salapatas教授、脑与认知科学教授、K. Lisa Yang脑体中心主任、麻省理工学院研究电子实验室副主任以及麻省理工学院麦戈文脑研究所成员Polina Anikeeva这样说道。

阿尼凯娃（Anikeeva）是这项新研究的高级作者，该研究于6月22日发表在《自然-生物技术》杂志上。论文的主要作者是麻省理工学院的研究生Atharva Sahasrabudhe、杜克大学的博士后Laura Rupprecht、麻省理工学院的博士后Sirma Orguc以及前麻省理工学院的博士后Tural Khudiyev。

大脑与身体的连接

去年，麦戈文研究所成立了K.丽莎·杨大脑-身体中心，旨在研究大脑与身体其他器官之间的相互作用。该中心的研究着重于阐明这些相互作用如何塑造行为和整体健康，并旨在开发未来治疗各种疾病的疗法。

"“身体和大脑之间有持续的、双向的互动交流，" 阿尼克娃说道。"很长一段时间以来，我们都认为大脑是一种专断的主宰，将指令发送到各个器官并控制一切。但现在我们知道，有很多反馈信息回传到大脑，而且这种反馈潜在地控制着我们之前认为完全由中枢神经控制的一些功能。”

作为中心工作的一部分，阿尼凯娃着手探索大脑与肠道神经系统（也称为肠道神经系统）之间的信号传递。肠道中的感觉细胞通过神经元之间的通信以及激素的释放来影响饥饿感和饱腹感。

解开这些激素和神经影响的谜团一直很困难，因为迄今为止还没有一个有效的方法可以快速测量毫秒级的神经信号。

“为了能够进行肠道光遗传学研究，并测量其对脑功能和行为的影响，需要毫秒级的精确度，我们需要一种尚未存在的设备。因此，我们决定自己来制造它。” Sahasrabudhe表示，他带领开发了肠道和脑部探针。

研究人员设计的电子接口采用了灵活的纤维，可执行各种功能，并可插入感兴趣的器官中。为了制造这些纤维，Sahasrabudhe采用了一种叫做热拉伸的技术，这种技术使他能够制造出聚合物丝，差不多和人类头发一样细，可以嵌入电极和温度传感器。

这些纤维还携带微观尺度的发光装置，可用于对细胞进行光遗传刺激，以及微流体通道，可用于输送药物。

这些纤维的力学特性可以根据身体不同部位的需求来定制。针对大脑，研究人员创造了更加坚硬的纤维，可以深入脑部。而对于消化器官，比如肠道，他们设计了更加柔韧的橡胶纤维，既不会损坏器官的内膜，同时又足够坚固，能够经受消化道恶劣环境的考验。

"为了研究大脑和身体之间的相互作用，有必要开发能够同时与感兴趣的器官以及大脑进行接口的技术，同时记录具有高信噪比的生理信号。”Sahasrabudhe提到，“我们还需要能够有选择性地刺激小鼠身体和大脑中不同类型的细胞，以便我们能够测试它们的行为并对这些回路进行因果分析。”

这些纤维还被设计成可以通过无线方式进行控制，使用一个外部控制电路，在实验期间可以暂时固定在动物身上。这个无线控制电路是由Schmidt科学研究员Orguc和Harrison Allen '20, MEng '22共同指导下开发的，他们在Anikeeva实验室和MIT工程学院院长、电气工程与计算机科学的Vannevar Bush教授Anantha Chandrakasan的实验室进行了合作指导。

"Driving behavior"

驾驶行为

通过使用这个接口，研究人员进行了一系列的实验来展示他们可以通过对肠道以及大脑的操控来影响行为。

首先，他们使用纤维将光遗传学刺激传递给一个被称为腹侧被盖区（VTA）的大脑部位，该区域释放多巴胺。他们将小鼠放入一个有三个房间的笼子中，当小鼠进入其中一个特定的房间时，研究人员会激活多巴胺神经元。由此产生的多巴胺爆发使小鼠更有可能返回那个房间，寻找多巴胺的奖励。

接着，研究人员尝试着观察是否能通过对肠道的影响来诱发这种寻求奖赏的行为。为了做到这一点，他们利用了肠道中的纤维释放了蔗糖，这同样激活了大脑中多巴胺的释放，并促使动物们寻找含有蔗糖的空间。

接下来，与杜克大学的同事合作，研究人员发现，他们可以通过跳过蔗糖的摄入，而是通过光遗传学刺激肠道的神经末梢来诱发相同的寻求奖励行为，这些神经末梢与迷走神经（控制消化和其他身体功能）的输入相关。

"“再次，我们观察到了人们之前在大脑刺激中所见过的对于地点偏好行为，但现在我们不再接触大脑，我们只是刺激肠道，然后观察到了中央功能的外周控制，” Anikeeva说道。

Sahasrabudhe与杜克大学Diego Bohorquez教授小组的博士后研究员Rupprecht密切合作，测试了这些纤维控制进食行为的能力。他们发现，这些装置能够对产生胆囊收缩素（一种促进饱腹感的激素）的细胞进行光遗传学刺激。当这种激素释放被激活时，即使动物已经禁食了数个小时，它们的食欲也会被抑制。研究人员还证明，当他们刺激产生一种叫做PYY的肽的细胞时，同样可以实现类似的效果，这种肽通常会在摄入非常油腻的食物后抑制食欲。

研究人员现在计划利用这个界面来研究与肠脑相连的神经状况。例如，研究表明，患有自闭症的儿童比同龄人更容易被诊断为肠道功能紊乱，而焦虑和肠易激综合征则存在遗传风险。

“我们现在可以开始思考了，这些巧合是偶然的，还是肠道和大脑之间存在联系？或许我们可以通过操控周围的回路，而不直接“触碰”大脑并尽量少侵入方式，来利用这些肠脑回路的潜力，开始管理其中的某些疾病。”安尼凯娃说道。

这项研究部分得到了哈克·E·谭和K·莉莎·杨孤独症研究中心和脑-身体中心的资助，同时也得到了国家神经疾病与中风研究所、国家科学基金会（NSF）材料科学与工程中心、NSF神经技术中心、国家综合医疗保健中心、国家卫生研究院主任的先锋奖、国家精神卫生研究所以及国家糖尿病和消化与肾脏疾病研究所的支持。