新技术可以探测大脑和肠道之间的神经回路

大脑和消化系统在不断的交流,传递信号,有助于控制喂养和其他行为。这广泛的通信网络也会影响我们的心理状态,已经涉及到许多神经系统疾病。

麻省理工学院的工程师们设计了一个探究这些连接的新技术。用纤维嵌入各种传感器,以及光源optogenetic刺激,研究人员已经表明,他们能够控制神经回路连接肠道和大脑,在老鼠身上。

在一项新的研究中,研究人员证明了他们可以诱导饱腹感的感觉或刺激小鼠的行为通过操纵肠细胞。在未来的工作中,他们希望去探索一些消化健康之间的相关性被观察到和孤独症等神经疾病和帕金森病。

“令人兴奋的是,我们现在有技术,可以推动肠道喂养等功能和行为。更重要的是,我们有能力开始访问肠道和大脑之间的串扰光遗传学的毫秒精度,我们可以用动物的行为,”波琳娜Anikeeva说Matoula s Salapatas教授材料科学与工程、脑与认知科学教授,杨k丽莎方面中心主任、副主任麻省理工学院的电子研究实验室,和一个麻省理工学院麦戈文脑研究所的成员。

Anikeeva的资深作者新的研究,在今天自然生物技术。该论文的主要作者是麻省理工学院研究生Atharva Sahasrabudhe,杜克大学博士后劳拉Rupprecht,麻省理工学院博士后Sirma Orguc,前麻省理工学院博士后Tural Khudiyev。

方面的联系

去年,麦戈文研究所发起了k丽莎杨方面研究中心之间的相互影响大脑和身体的其他器官。研究中心重点照明这些交互如何帮助塑造行为和总体健康状况,与未来发展的目标治疗各种各样的疾病。

“是连续的,身体和大脑之间的双向相声“Anikeeva说。“很长一段时间,我们认为大脑是一个暴君将输出发送到器官和控制一切。但现在我们知道有很多反馈回大脑,和这可能反馈控制的一些功能,我们以前完全归因于中央神经控制。”

作为该中心的工作的一部分,Anikeeva着手调查之间的信号,通过肠道的大脑和神经系统,也称为肠神经系统。感觉细胞在肠道影响饥饿和饱腹感通过神经元沟通和激素释放。

解开这些激素和神经的影响一直是困难的,因为没有一个好的方法快速测量神经信号,这发生在毫秒。

“能够执行肠道光遗传学,然后测量对大脑功能的影响和行为,这需要毫秒精度,我们需要一种不存在的装置。所以我们决定让它,”Sahasrabudhe说导致肠道和大脑发展的调查。

电子接口,研究者设计了由弹性纤维,可以执行各种功能,可以插入到感兴趣的器官。创建纤维,Sahasrabudhe使用了一种叫做热画画,这让他创建聚合物纤维,一根头发丝一样细,可以嵌入电极和温度传感器。

丝也携带微型发光设备,这些设备可以用于optogenetically刺激细胞,和微流体通道,可以用来提供药物。

纤维的机械性能可以为使用在身体的不同部位。的大脑,研究人员创建硬纤维可以螺纹深入大脑。肠等消化器官,他们设计了更微妙的弹性纤维,不损害器官内壁但仍足够坚固,可以承受消化道的恶劣的环境。

”来研究大脑和身体之间的相互作用,有必要开发技术接口与感兴趣的器官以及大脑的同时,在记录生理信号信噪比高,“Sahasrabudhe说。“我们还需要能够选择性地刺激不同的细胞在小鼠的器官,这样我们可以测试他们的行为和执行的因果分析这些电路。”

纤维也设计,这样就可以无线控制,使用外部控制电路,可以暂时贴在一个实验动物。这种无线控制电路是由Orguc,施密特科学研究员艾伦,哈里森的20,孟22日人他们ananthachandrakasan Anikeeva实验室和实验室之间的,麻省理工学院的工程学院院长和Vannevar Bush电气工程和计算机科学的教授。

驾驶行为

使用这个接口,研究人员进行了一系列的实验来证明他们可以通过操纵行为影响肠道和大脑。

首先,他们用纤维提供optogenetic刺激大脑的一部分称为腹侧被盖区(VTA),释放出多巴胺。他们把老鼠在笼子里有三个房间,当老鼠进入一个特别室,研究人员激活多巴胺神经元。由此产生的多巴胺破灭了的老鼠更容易回到室的多巴胺奖励。

之后,研究人员试图看看是否还可以诱导,通过影响肠道刺激行为。要做到这一点,他们用纤维在肠道释放蔗糖,也激活了大脑中多巴胺的释放,促使动物寻找他们在蔗糖时交付。

接下来,处理来自杜克大学的同事时,研究人员发现他们可以引起相同的刺激行为通过跳过蔗糖和optogenetically刺激肠道的神经末梢,迷走神经提供输入,控制消化和其他身体机能。

“再一次,我们有这个地方偏好行为,人们以前见过的刺激大脑,但是现在我们不接触大脑。我们只是刺激肠道,我们观察从外围控制中心功能,”Anikeeva说。

Sahasrabudhe与Rupprecht密切合作,一个博士后教授Diego Bohorquez集团杜克,测试纤维的控制摄食行为的能力。他们发现设备可以optogenetically刺激细胞产生缩胆囊素,一种激素,促进饱腹感。这种激素释放激活时,动物的欲望被压抑,即使他们已经几个小时禁食。研究者还演示了一个类似的效果时,刺激细胞产生的肽称为肽yy,通常非常丰富的食物被消耗掉后抑制食欲。

研究者们现在打算用这个接口研究神经系统被认为是肠脑连接的条件。例如,研究表明,自闭症的孩子比他们的同龄人更有可能被诊断为胃肠道功能障碍,而焦虑和肠易激综合症分享遗传风险。

“我们现在可以开始问,是巧合,还是有肠道和大脑之间的联系?也许我们有机会进入这些肠脑电路开始管理一些条件通过操纵外围电路的方式并不直接“触摸”大脑,微创,”Anikeeva说。

参考:Sahasrabudhe A Rupprecht LE Orguc年代,et al。多功能微电子纤维使无线调制肠道和大脑神经回路。自然生物技术。2023年。doi:10.1038 / s41587 - 023 - 01833 - 5

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