麻省理工學院的工程師們已經開發出一種新的光遺傳學技術，可以操縱大腦和腸道之間的神經連接，有可能為消化系統健康和神經系統疾病之間的聯繫提供啟示。大腦和消化道不斷溝通，傳遞有助於控制進食和其他行為的信號。這個廣泛的通信網絡也影響著我們的精神狀態，並與許多神經系統疾病有關聯。

麻省理工學院的工程師們已經設計了一種探測這些連接的新技術。利用嵌入各種傳感器的纖維，以及用於光遺傳學刺激的光源，研究人員已經表明，他們可以在小鼠身上控制連接腸道和大腦的神經迴路。

在一項新的研究中，研究人員證明，他們可以通過操縱腸道細胞來誘導小鼠的飽腹感或尋求獎勵的行為。在未來的工作中，他們希望探索在消化系統健康和神經系統疾病（如自閉症和帕金森病）之間已經觀察到的一些相關性。

這些嵌入了傳感器和光源的柔性纖維可以用來操縱和監測大腦和消化道之間的連接。

“令人興奮的是，我們現在有了可以驅動腸道功能和行為的技術，如餵食。更重要的是，我們有能力以光遺傳學的毫秒級精度開始訪問腸道和大腦之間的串擾，而且我們可以在有行為的動物身上做到這一點。”材料科學與工程系的馬圖拉-S-薩拉帕塔斯教授、大腦和認知科學教授、楊麗莎腦體中心主任、麻省理工學院電子研究實驗室副主任以及麻省理工學院麥戈文大腦研究所的成員Polina Anikeeva說。

Anikeeva是這項新研究的高級作者，該研究於6月22日發表在《自然-生物技術》雜誌上。該論文的主要作者是麻省理工學院研究生Atharva Sahasrabudhe，杜克大學博士後Laura Rupprecht，麻省理工學院博士後Sirma Orguc，以及前麻省理工學院博士後Tural Khudiyev。

去年，麥戈文研究所啟動了楊麗莎腦-體中心，研究大腦和身體其他器官之間的相互作用。該中心的研究重點是闡明這些相互作用如何幫助塑造行為和整體健康，目的是開發未來對各種疾病的治療方法。

Anikeeva說：”身體和大腦之間存在著連續的、雙向的串擾。長期以來，我們認為大腦是一個暴君，它將輸出信號送入器官並控制一切。但現在我們知道有很多反饋回到大腦中，這種反饋可能控制一些我們以前完全歸因於中樞神經控制的功能。”

杜克大學博士後Laura Rupprecht、麻省理工學院研究生Atharva Sahasrabudhe和麻省理工學院博士後Sirma Orguc在實驗室。資料來源：研究人員提供作為該中心工作的一部分，Anikeeva著手探測大腦和腸道神經系統（也稱為腸道神經系統）之間傳遞的信號。腸道中的感覺細胞通過神經元通信和激素釋放影響飢餓和飽腹感。解開這些荷爾蒙和神經的影響一直很困難，因為還沒有一種好的方法來快速測量神經元信號，這些信號在幾毫秒內發生。

“為了能夠進行腸道光遺傳學研究，然後測量對大腦功能和行為的影響，這需要毫秒級的精度，我們需要一個不存在的設備。因此，我們決定製造它，”領導開發腸道和大腦探針的Sahasrabudhe說。

研究人員設計的電子接口由靈活的纖維組成，可以執行各種功能，並可以插入感興趣的器官中。為了製造這些纖維，Sahasrabudhe使用了一種叫做熱拉絲的技術，這使他能夠製造出聚合物細絲，大約有人類頭髮那麼細，可以嵌入電極和溫度傳感器。

這些長絲還帶有微型發光裝置，可用於光遺傳刺激細胞，以及可用於輸送藥物的微流體通道。

纖維的機械性能可以被定制，以用於身體的不同部位。對於大腦，研究人員創造了更堅硬的纖維，可以將其穿入大腦深處。對於消化器官，如腸道，他們設計了更精緻的橡膠纖維，不會損害器官的內壁，但仍然足夠堅固，可以承受消化道的惡劣環境。

“為了研究大腦和身體之間的互動，有必要開發能夠同時與感興趣的器官以及大腦對接的技術，同時以高信噪比記錄生理信號，”Sahasrabudhe說。”我們還需要能夠選擇性地刺激小鼠兩個器官中的不同細胞類型，以便我們能夠測試它們的行為，並對這些電路進行因果分析。”

這些纖維還被設計成可以無線控制，使用一個外部控制電路，在實驗期間可以臨時貼在動物身上。這種無線控制電路是由施密特科學研究員Orguc和20歲的Harrison Allen開發的，他們在Anikeeva實驗室和麻省理工學院工程學院院長、電氣工程和計算機科學的Vannevar Bush教授Anantha Chandrakasan的實驗室之間共同指導。

利用這個接口，研究人員進行了一系列的實驗，以表明他們可以通過操縱腸道和大腦來影響行為。首先，他們使用纖維向大腦中被稱為腹側被膜區（VTA）的部分提供光遺傳學刺激，該區域釋放多巴胺。他們將小鼠放在一個有三個腔室的籠子裡，當小鼠進入一個特定的腔室時，研究人員激活了多巴胺神經元。由此產生的多巴胺爆發使小鼠更有可能返回該室尋找多巴胺獎勵。

然後，研究人員試圖看看他們是否也能通過影響腸道來誘發這種尋求獎勵的行為。為了做到這一點，他們利用腸道中的纖維釋放蔗糖，這也激活了大腦中的多巴胺釋放，並促使動物們尋找它們在釋放蔗糖時所在的房間。

接下來，研究人員與杜克大學的同事合作，發現他們可以通過跳過蔗糖和光遺傳刺激腸道中的神經末梢來誘導同樣的獎勵尋求行為，這些神經末梢為迷走神經提供輸入，迷走神經控制消化和其他身體功能。

“同樣，我們得到了人們以前在大腦中看到的這種地方偏好行為的刺激，但現在我們沒有觸及大腦。我們只是刺激腸道，而我們正在觀察從外圍對中樞功能的控制，”Anikeeva說。

Sahasrabudhe與杜克大學Diego Bohorquez教授小組的博士後Rupprecht密切合作，測試這些纖維控制進食行為的能力。他們發現，這些設備可以通過光遺傳學刺激產生膽囊收縮素的細胞，一種促進飽腹感的激素。當這種激素釋放被激活時，動物的食慾被抑制，即使它們已經禁食了幾個小時。研究人員在刺激產生一種叫做PYY的肽的細胞時也表現出了類似的效果，這種肽在食用非常豐富的食物後通常會抑制食慾。

研究人員現在計劃使用這個界面來研究被認為有腸道和大腦聯繫的神經系統疾病。例如，研究表明，自閉症兒童遠比他們的同齡人更有可能被診斷為消化道功能障礙，而焦慮症和腸易激綜合徵有共同的遺傳風險。

“我們現在可以開始問，這些是巧合，還是腸道和大腦之間存在著聯繫？”Anikeeva說：”也許我們有機會利用這些腸道-大腦迴路，通過不直接’接觸’大腦的方式操縱外圍迴路，開始管理其中的一些情況。”