麻省理工学院的工程师们已经开发出一种新的光遗传学技术，可以操纵大脑和肠道之间的神经连接，有可能为消化系统健康和神经系统疾病之间的联系提供启示。大脑和消化道不断沟通，传递有助于控制进食和其他行为的信号。这个广泛的通信网络也影响着我们的精神状态，并与许多神经系统疾病有关联。

麻省理工学院的工程师们已经设计了一种探测这些连接的新技术。利用嵌入各种传感器的纤维，以及用于光遗传学刺激的光源，研究人员已经表明，他们可以在小鼠身上控制连接肠道和大脑的神经回路。

在一项新的研究中，研究人员证明，他们可以通过操纵肠道细胞来诱导小鼠的饱腹感或寻求奖励的行为。在未来的工作中，他们希望探索在消化系统健康和神经系统疾病（如自闭症和帕金森病）之间已经观察到的一些相关性。

这些嵌入了传感器和光源的柔性纤维可以用来操纵和监测大脑和消化道之间的连接。

"令人兴奋的是，我们现在有了可以驱动肠道功能和行为的技术，如喂食。更重要的是，我们有能力以光遗传学的毫秒级精度开始访问肠道和大脑之间的串扰，而且我们可以在有行为的动物身上做到这一点。"材料科学与工程系的马图拉-S-萨拉帕塔斯教授、大脑和认知科学教授、杨丽莎脑体中心主任、麻省理工学院电子研究实验室副主任以及麻省理工学院麦戈文大脑研究所的成员Polina Anikeeva说。

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。该论文的主要作者是麻省理工学院研究生Atharva Sahasrabudhe，杜克大学博士后Laura Rupprecht，麻省理工学院博士后Sirma Orguc，以及前麻省理工学院博士后Tural Khudiyev。

去年，麦戈文研究所启动了杨丽莎脑-体中心，研究大脑和身体其他器官之间的相互作用。该中心的研究重点是阐明这些相互作用如何帮助塑造行为和整体健康，目的是开发未来对各种疾病的治疗方法。

Anikeeva说："身体和大脑之间存在着连续的、双向的串扰。长期以来，我们认为大脑是一个暴君，它将输出信号送入器官并控制一切。但现在我们知道有很多反馈回到大脑中，这种反馈可能控制一些我们以前完全归因于中枢神经控制的功能。"

杜克大学博士后Laura Rupprecht、麻省理工学院研究生Atharva Sahasrabudhe和麻省理工学院博士后Sirma Orguc在实验室。资料来源：研究人员提供作为该中心工作的一部分，Anikeeva着手探测大脑和肠道神经系统（也称为肠道神经系统）之间传递的信号。肠道中的感觉细胞通过神经元通信和激素释放影响饥饿和饱腹感。解开这些荷尔蒙和神经的影响一直很困难，因为还没有一种好的方法来快速测量神经元信号，这些信号在几毫秒内发生。

"为了能够进行肠道光遗传学研究，然后测量对大脑功能和行为的影响，这需要毫秒级的精度，我们需要一个不存在的设备。因此，我们决定制造它，"领导开发肠道和大脑探针的Sahasrabudhe说。

研究人员设计的电子接口由灵活的纤维组成，可以执行各种功能，并可以插入感兴趣的器官中。为了制造这些纤维，Sahasrabudhe使用了一种叫做热拉丝的技术，这使他能够制造出聚合物细丝，大约有人类头发那么细，可以嵌入电极和温度传感器。

这些长丝还带有微型发光装置，可用于光遗传刺激细胞，以及可用于输送药物的微流体通道。

纤维的机械性能可以被定制，以用于身体的不同部位。对于大脑，研究人员创造了更坚硬的纤维，可以将其穿入大脑深处。对于消化器官，如肠道，他们设计了更精致的橡胶纤维，不会损害器官的内壁，但仍然足够坚固，可以承受消化道的恶劣环境。

"为了研究大脑和身体之间的互动，有必要开发能够同时与感兴趣的器官以及大脑对接的技术，同时以高信噪比记录生理信号，"Sahasrabudhe说。"我们还需要能够选择性地刺激小鼠两个器官中的不同细胞类型，以便我们能够测试它们的行为，并对这些电路进行因果分析。"

这些纤维还被设计成可以无线控制，使用一个外部控制电路，在实验期间可以临时贴在动物身上。这种无线控制电路是由施密特科学研究员Orguc和20岁的Harrison Allen开发的，他们在Anikeeva实验室和麻省理工学院工程学院院长、电气工程和计算机科学的Vannevar Bush教授Anantha Chandrakasan的实验室之间共同指导。

利用这个接口，研究人员进行了一系列的实验，以表明他们可以通过操纵肠道和大脑来影响行为。首先，他们使用纤维向大脑中被称为腹侧被膜区（VTA）的部分提供光遗传学刺激，该区域释放多巴胺。他们将小鼠放在一个有三个腔室的笼子里，当小鼠进入一个特定的腔室时，研究人员激活了多巴胺神经元。由此产生的多巴胺爆发使小鼠更有可能返回该室寻找多巴胺奖励。

然后，研究人员试图看看他们是否也能通过影响肠道来诱发这种寻求奖励的行为。为了做到这一点，他们利用肠道中的纤维释放蔗糖，这也激活了大脑中的多巴胺释放，并促使动物们寻找它们在释放蔗糖时所在的房间。

接下来，研究人员与杜克大学的同事合作，发现他们可以通过跳过蔗糖和光遗传刺激肠道中的神经末梢来诱导同样的奖励寻求行为，这些神经末梢为迷走神经提供输入，迷走神经控制消化和其他身体功能。

"同样，我们得到了人们以前在大脑中看到的这种地方偏好行为的刺激，但现在我们没有触及大脑。我们只是刺激肠道，而我们正在观察从外围对中枢功能的控制，"Anikeeva说。

Sahasrabudhe与杜克大学Diego Bohorquez教授小组的博士后Rupprecht密切合作，测试这些纤维控制进食行为的能力。他们发现，这些设备可以通过光遗传学刺激产生胆囊收缩素的细胞，一种促进饱腹感的激素。当这种激素释放被激活时，动物的食欲被抑制，即使它们已经禁食了几个小时。研究人员在刺激产生一种叫做PYY的肽的细胞时也表现出了类似的效果，这种肽在食用非常丰富的食物后通常会抑制食欲。

研究人员现在计划使用这个界面来研究被认为有肠道和大脑联系的神经系统疾病。例如，研究表明，自闭症儿童远比他们的同龄人更有可能被诊断为消化道功能障碍，而焦虑症和肠易激综合征有共同的遗传风险。

"我们现在可以开始问，这些是巧合，还是肠道和大脑之间存在着联系？"Anikeeva说："也许我们有机会利用这些肠道-大脑回路，通过不直接'接触'大脑的方式操纵外围回路，开始管理其中的一些情况。"