MIT 的“飞针绝技”：可监测与帕金森病密切相关的大脑多巴胺活动

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多巴胺，这种遍布整个大脑的信号分子，在调节情绪和控制运动方面起到重要作用。许多疾病，包括帕金森氏症、抑郁症和精神分裂症，都与多巴胺缺乏有关。

 

近日，麻省理工学院的神经科学家们设计出了一种用来长时间测量大脑中多巴胺的方法，可持续测量超过一年时间。他们相信，这种方法将帮助他们更深入了解多巴胺在健康或患病大脑中的作用。

 

（来源：MIT）

“尽管我们早已知道多巴胺是大脑中非常重要的信号分子, 参与神经生理过程和神经精神疾病的形成, 但我们一直无法长时间实时监控多巴胺释放的变化, 而时间过短就不能够将多巴胺水平变化与临床表现建立关系,”麻省理工学院教授、麻省理工学院麦戈文脑研究所、此研究的资深作者之一 Ann Graybiel 说。

 

麻省理工学院材料科学与工程系科赫教授、麻省理工学院科赫综合癌症研究所成员 Michael Cima 与科赫研究所教授 Rober Langer 也同样是本研究的资深作者。麻省理工学院 博士后 Helen Schwerdt 是本文的第一作者。本研究发表在于 9 月 12 日的《生物学通讯》（Communications Biology）。

 

长时程传感

 

多巴胺是大脑中神经元用来相互交流的神经递质中的一种。用于测量多巴胺的传统系统——直径约为 100 微米的碳电极——只能在一天内产生可靠数据，因为它们周围会有疤痕组织形成，干扰电极与多巴胺相互作用。

 

2015 年，这支麻省理工学院的研究团队证明，微型传感器可以用来测量大脑中名为纹状体脑区的多巴胺水平。纹状体中含有合成分泌多巴胺的细胞，这些细胞对习惯形成和奖赏-强化学习过程至关重要。

 

由于这些探针非常小（直径约 10 微米），研究人员可以植入 16 个这样的探针来测量纹状体不同部位的多巴胺水平。在如今这项最新研究中，研究人员想要测试是否可以使用这些传感器来进行长期的多巴胺水平跟踪。

 

“一开始我们的基本目标就是让传感器坚持长时间工作，并能每天产生准确的读数，”Schwerdt 说。“如果你想研究这些信号分子是如何调节特定疾病或生理过程的话，这种测量很有必要。”

 

为了开发出一种能长时间保持准确的传感器，研究人员必须确保它不会引起免疫反应，以避免产生影响测量准确性的疤痕组织。

 

这支麻省理工学院的研究团队发现，他们的微型传感器近乎完全被免疫系统无视，甚至在植入很长一段时间后。在传感器被植入后，小胶质细胞（相当于对损伤很快产生反应的免疫细胞）和星形胶质细胞（它们对损伤产生反应的时间更长）与那些没有插入探针的脑组织一样。

 

在这项研究中，研究人员在每只动物的纹状体中植入了 3 到 5 个传感器，大约 5 毫米深。他们每隔几周就会进行一次读数。他们对脑干进行刺激使之分泌多巴胺，并传播到纹状体。他们发现测量结果持续 393 天保持一致。

 

“这是第一次有人证明这些传感器能够工作超过数月。这给了我们很大信心，相信这类传感器有一天将会被用于人体，”Schwerdt 说。

 

纽约大学生理学和神经科学教授 Paul Glimcher 说，这种新传感器将能让更多的研究者对多巴胺进行长期研究，这对于研究持续时间较长的学习现象来说很重要。

 

“这是一个非常有意义的工程成就，推动了这个领域的发展，”没有参与这项研究的 Glimcher 教授说。“它极大地改善了这项技术，使许多实验室都能应用。”

 

监测帕金森病

研究人员说，如果这些传感器被开发至用于人类，就可以用它们来监测那些接受深部脑刺激的帕金森患者。深部脑刺激疗法将电极植入大脑，将电流传导到大脑深处的结构，刺激多巴胺分泌。使用传感器来监测多巴胺水平可以帮助医生更有选择性地、只有在需要的时候发送刺激。

 

研究人员目前正在研究如何调整传感器来测量大脑中的其他神经递质，以及测量电信号，这些信号也在帕金森氏症和其他疾病中发生混乱。

 

“了解化学和电活动之间的关系对于理解帕金森症中所有的问题都是非常重要的，”Schwerdt 说。

 

编辑：XHR

参考：http://news.mit.edu/2018/brain-dopamine-tracking-sensors-0912

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