神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如頑固性疼痛、帕金森病和抑郁癥，在全球范圍內(nèi)造成了巨大的健康和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。神經(jīng)調(diào)控是治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的一種非藥物和非成癮性治療手段。神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、材料科學(xué)、計(jì)算科學(xué)等學(xué)科的交叉融合促進(jìn)了神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的革新發(fā)展，各類創(chuàng)新性的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)也隨之涌現(xiàn)。針對(duì)神經(jīng)調(diào)控技術(shù)做出前瞻性展望，將能夠讓多學(xué)科、多領(lǐng)域的人群了解和把握神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和未來方向，使神經(jīng)調(diào)控技術(shù)更好地服務(wù)于神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療、腦功能解析和類腦智能發(fā)展。

　　近期，中國科學(xué)院心理健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室胡理研究組總結(jié)了神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的重要研究進(jìn)展，凝練出三大發(fā)展趨勢(shì)，并展望了跨學(xué)科交叉融合背景下神經(jīng)調(diào)控技術(shù)應(yīng)用和轉(zhuǎn)化中存在的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。相關(guān)成果已在線發(fā)表于Science Bulletin，題為Advancements and challenges in neuromodulation technology: interdisciplinary opportunities and collaborative endeavors。

　　神經(jīng)調(diào)控被定義為“通過將刺激物（如電刺激或化學(xué)制劑）靶向遞送到體內(nèi)特定神經(jīng)部位來改變神經(jīng)活動(dòng)”的一種技術(shù)手段。目前，研究者們已經(jīng)開發(fā)出了基于聲、光、電、磁、化學(xué)物質(zhì)等手段的、覆蓋侵入和非侵入方式的多種神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，并應(yīng)用在治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病和解析大腦功能的研究中。然而，神經(jīng)調(diào)控技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍然面臨各種阻礙，如危險(xiǎn)的病毒工具、高侵襲性、較差的生物相容性、不穩(wěn)定的治療效果以及對(duì)有線電源的依賴等。此外，傳統(tǒng)的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)通常使用外部設(shè)置的固定參數(shù)，缺乏適應(yīng)生理狀態(tài)而調(diào)整刺激參數(shù)的閉環(huán)調(diào)控能力，因此調(diào)控效果并不理想，甚至可能導(dǎo)致更嚴(yán)重的副作用（表1）。

表1. 現(xiàn)有神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

　　基于此，本文對(duì)跨學(xué)科交叉研究背景下神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的革新發(fā)展進(jìn)行了趨勢(shì)總結(jié)和深入思考，并呼吁加強(qiáng)跨學(xué)科交叉研究、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界合作以促進(jìn)神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展和轉(zhuǎn)化應(yīng)用（圖1）。

圖1. 神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的類別、發(fā)展和應(yīng)用

　　關(guān)鍵性發(fā)展趨勢(shì)：

　　1.開發(fā)功能性納米材料減少侵入性并實(shí)現(xiàn)多模態(tài)調(diào)控。功能性納米材料體積小，具有良好的物理和化學(xué)屬性，可以避免電極插入大腦產(chǎn)生的副作用。此外，納米材料能夠通過實(shí)現(xiàn)不同能量模態(tài)的轉(zhuǎn)換，以及將物理刺激與藥物釋放相結(jié)合來促進(jìn)多模態(tài)神經(jīng)調(diào)控。這種能力將極大地促進(jìn)開發(fā)創(chuàng)新方法調(diào)控神經(jīng)環(huán)路和功能的可能性。

　　2.開發(fā)小型化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)無線供電。不論侵入性還是非侵入性神經(jīng)調(diào)控，現(xiàn)有裝置的尺寸體積較大且嚴(yán)重依賴有線電源供電，因而應(yīng)用場(chǎng)景有限，亟需開發(fā)小型化設(shè)備擺脫有線電源依賴。無線供電將能夠延長設(shè)備使用壽命和擴(kuò)大應(yīng)用場(chǎng)景。

　　3.開發(fā)用于實(shí)時(shí)神經(jīng)調(diào)控的先進(jìn)閉環(huán)方法。閉環(huán)神經(jīng)調(diào)節(jié)能夠基于個(gè)體生理狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整刺激參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)調(diào)控效果并減少副作用。

　　鑒于以上發(fā)展趨勢(shì)，本文進(jìn)一步指出了神經(jīng)調(diào)控技術(shù)在臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用中存在的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

　　機(jī)遇：

　　1.功能性納米材料的進(jìn)一步發(fā)展將能夠以極低侵入性為精準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)的神經(jīng)調(diào)控開辟新途徑，并且通過優(yōu)化調(diào)控效果、整合調(diào)控和治療功能滿足定制化神經(jīng)調(diào)控需求。

　　2.小型神經(jīng)調(diào)控裝置將受益于功能材料的商品化，實(shí)現(xiàn)微侵入性和非侵入性神經(jīng)調(diào)控。

　　3.可穿戴設(shè)備的日益普及將加速閉環(huán)神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化和智能化的閉環(huán)神經(jīng)調(diào)控。

　　挑戰(zhàn)：

　　1.具有優(yōu)越性能的先進(jìn)納米材料商品化程度較低，且免疫反應(yīng)、長期生物相容性等安全性評(píng)估不足，因此在神經(jīng)調(diào)控中的應(yīng)用和轉(zhuǎn)化仍存在困難。

　　2.小型神經(jīng)調(diào)控裝置的能量供給存在困難且功率儲(chǔ)能有限，不能滿足復(fù)雜系統(tǒng)的電力需求，需要設(shè)計(jì)優(yōu)化的專用集成電路（ASIC）和電路配件或?qū)Τ叽绾托阅茏龀鰴?quán)衡，因而開發(fā)成本較高。

　　3.這些趨勢(shì)性發(fā)展均局限于體外實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，其刺激效果和確切的調(diào)控機(jī)制仍然不清楚，需要更多的參數(shù)、動(dòng)物和人類實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

　　4.實(shí)時(shí)神經(jīng)調(diào)控技術(shù)受技術(shù)、算法和設(shè)備等軟、硬件阻礙，性能仍然不夠滿意。

　　5.神經(jīng)調(diào)控應(yīng)用的個(gè)體差異仍需要被關(guān)注，即使有相同的干預(yù)目標(biāo)，劑量和疾病，個(gè)體之間的效果仍然可能差異很大，需要重視個(gè)體層面的精確研究。

　　6.神經(jīng)調(diào)控領(lǐng)域應(yīng)重視研究的可重復(fù)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(cè)量的可靠性和有效性，最大程度地減少研究偏差、并倡導(dǎo)程序透明、數(shù)據(jù)公開的開放科學(xué)實(shí)踐。

　　綜上，神經(jīng)調(diào)控技術(shù)是一個(gè)充滿活力的領(lǐng)域，其進(jìn)步離不開諸多領(lǐng)域與神經(jīng)科學(xué)的交叉，其創(chuàng)新發(fā)展對(duì)于腦科學(xué)研究、腦疾病治療和類腦智能均有深遠(yuǎn)影響。要想使神經(jīng)調(diào)控技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中充分發(fā)揮潛力，不僅需要神經(jīng)科學(xué)研究界的共同努力，而且需要以材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、工程為代表的多學(xué)科進(jìn)行交叉合作，更需要整個(gè)行業(yè)的共同努力。尤其是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界之間的密切合作，對(duì)于加速這些新興技術(shù)的發(fā)展，并促進(jìn)其作為科研工具、醫(yī)療工具的傳播具有關(guān)鍵作用。

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

　　論文第一作者為心理所博士研究生李鎮(zhèn)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

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