心理所研究展望跨學科交叉融合背景下神經調控技術的革新發展

　　神經系統疾病，如頑固性疼痛、帕金森病和抑郁癥，在全球范圍內造成了巨大的健康和經濟負擔。神經調控是治療神經系統疾病的一種非藥物和非成癮性治療手段。神經科學、心理學、醫學、生物醫學工程、材料科學、計算科學等學科的交叉融合促進了神經調控技術的革新發展，各類創新性的神經調控技術也隨之涌現。針對神經調控技術做出前瞻性展望，將能夠讓多學科、多領域的人群了解和把握神經調控技術的發展趨勢和未來方向，使神經調控技術更好地服務于神經系統疾病治療、腦功能解析和類腦智能發展。

　　近期，中國科學院心理健康重點實驗室胡理研究組總結了神經調控技術的重要研究進展，凝練出三大發展趨勢，并展望了跨學科交叉融合背景下神經調控技術應用和轉化中存在的機遇與挑戰。相關成果已在線發表于Science Bulletin，題為Advancements and challenges in neuromodulation technology: interdisciplinary opportunities and collaborative endeavors。

　　神經調控被定義為“通過將刺激物（如電刺激或化學制劑）靶向遞送到體內特定神經部位來改變神經活動”的一種技術手段。目前，研究者們已經開發出了基于聲、光、電、磁、化學物質等手段的、覆蓋侵入和非侵入方式的多種神經調控技術，并應用在治療神經系統疾病和解析大腦功能的研究中。然而，神經調控技術在實際應用中仍然面臨各種阻礙，如危險的病毒工具、高侵襲性、較差的生物相容性、不穩定的治療效果以及對有線電源的依賴等。此外，傳統的神經調控技術通常使用外部設置的固定參數，缺乏適應生理狀態而調整刺激參數的閉環調控能力，因此調控效果并不理想，甚至可能導致更嚴重的副作用（表1）。

表1. 現有神經調控技術的優點和缺點

　　基于此，本文對跨學科交叉研究背景下神經調控技術的革新發展進行了趨勢總結和深入思考，并呼吁加強跨學科交叉研究、學術界和工業界合作以促進神經調控技術的創新發展和轉化應用（圖1）。

圖1. 神經調控技術的類別、發展和應用

　　關鍵性發展趨勢：

　　1.開發功能性納米材料減少侵入性并實現多模態調控。功能性納米材料體積小，具有良好的物理和化學屬性，可以避免電極插入大腦產生的副作用。此外，納米材料能夠通過實現不同能量模態的轉換，以及將物理刺激與藥物釋放相結合來促進多模態神經調控。這種能力將極大地促進開發創新方法調控神經環路和功能的可能性。

　　2.開發小型化設備，實現無線供電。不論侵入性還是非侵入性神經調控，現有裝置的尺寸體積較大且嚴重依賴有線電源供電，因而應用場景有限，亟需開發小型化設備擺脫有線電源依賴。無線供電將能夠延長設備使用壽命和擴大應用場景。

　　3.開發用于實時神經調控的先進閉環方法。閉環神經調節能夠基于個體生理狀態實時調整刺激參數，實現最優調控效果并減少副作用。

　　鑒于以上發展趨勢，本文進一步指出了神經調控技術在臨床轉化應用中存在的機遇和挑戰。

　　機遇：

　　1.功能性納米材料的進一步發展將能夠以極低侵入性為精準和動態的神經調控開辟新途徑，并且通過優化調控效果、整合調控和治療功能滿足定制化神經調控需求。

　　2.小型神經調控裝置將受益于功能材料的商品化，實現微侵入性和非侵入性神經調控。

　　3.可穿戴設備的日益普及將加速閉環神經調控技術的轉化應用，實現個性化和智能化的閉環神經調控。

　　挑戰：

　　1.具有優越性能的先進納米材料商品化程度較低，且免疫反應、長期生物相容性等安全性評估不足，因此在神經調控中的應用和轉化仍存在困難。

　　2.小型神經調控裝置的能量供給存在困難且功率儲能有限，不能滿足復雜系統的電力需求，需要設計優化的專用集成電路（ASIC）和電路配件或對尺寸和性能做出權衡，因而開發成本較高。

　　3.這些趨勢性發展均局限于體外實驗和動物實驗中，其刺激效果和確切的調控機制仍然不清楚，需要更多的參數、動物和人類實驗測試。

　　4.實時神經調控技術受技術、算法和設備等軟、硬件阻礙，性能仍然不夠滿意。

　　5.神經調控應用的個體差異仍需要被關注，即使有相同的干預目標，劑量和疾病，個體之間的效果仍然可能差異很大，需要重視個體層面的精確研究。

　　6.神經調控領域應重視研究的可重復性和泛化性問題，未來的研究需要采用更大的樣本量，提高測量的可靠性和有效性，最大程度地減少研究偏差、并倡導程序透明、數據公開的開放科學實踐。

　　綜上，神經調控技術是一個充滿活力的領域，其進步離不開諸多領域與神經科學的交叉，其創新發展對于腦科學研究、腦疾病治療和類腦智能均有深遠影響。要想使神經調控技術在各個領域中充分發揮潛力，不僅需要神經科學研究界的共同努力，而且需要以材料科學、醫學、工程為代表的多學科進行交叉合作，更需要整個行業的共同努力。尤其是學術界和工業界之間的密切合作，對于加速這些新興技術的發展，并促進其作為科研工具、醫療工具的傳播具有關鍵作用。

　　該研究得到了北京市自然科學基金項目（JQ22018）、國家自然科學基金項目（32071061）的資助。

　　論文第一作者為心理所博士研究生李鎮江，通訊作者為胡理研究員。

　　論文信息：

　　Zhen-Jiang Li, Li-Bo Zhang, Yu-Xin Chen, Li Hu. Advancements and challenges in neuromodulation technology: interdisciplinary opportunities and collaborative endeavors, Science Bulletin, 2023. https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.08.019