心理所研究展望跨学科交叉融合背景下神经调控技术的革新发展

　　神经系统疾病，如顽固性疼痛、帕金森病和抑郁症，在全球范围内造成了巨大的健康和经济负担。神经调控是治疗神经系统疾病的一种非药物和非成瘾性治疗手段。神经科学、心理学、医学、生物医学工程、材料科学、计算科学等学科的交叉融合促进了神经调控技术的革新发展，各类创新性的神经调控技术也随之涌现。针对神经调控技术做出前瞻性展望，将能够让多学科、多领域的人群了解和把握神经调控技术的发展趋势和未来方向，使神经调控技术更好地服务于神经系统疾病治疗、脑功能解析和类脑智能发展。

　　近期，中国科学院心理健康重点实验室胡理研究组总结了神经调控技术的重要研究进展，凝练出三大发展趋势，并展望了跨学科交叉融合背景下神经调控技术应用和转化中存在的机遇与挑战。相关成果已在线发表于Science Bulletin，题为Advancements and challenges in neuromodulation technology: interdisciplinary opportunities and collaborative endeavors。

　　神经调控被定义为“通过将刺激物（如电刺激或化学制剂）靶向递送到体内特定神经部位来改变神经活动”的一种技术手段。目前，研究者们已经开发出了基于声、光、电、磁、化学物质等手段的、覆盖侵入和非侵入方式的多种神经调控技术，并应用在治疗神经系统疾病和解析大脑功能的研究中。然而，神经调控技术在实际应用中仍然面临各种阻碍，如危险的病毒工具、高侵袭性、较差的生物相容性、不稳定的治疗效果以及对有线电源的依赖等。此外，传统的神经调控技术通常使用外部设置的固定参数，缺乏适应生理状态而调整刺激参数的闭环调控能力，因此调控效果并不理想，甚至可能导致更严重的副作用（表1）。

表1. 现有神经调控技术的优点和缺点

　　基于此，本文对跨学科交叉研究背景下神经调控技术的革新发展进行了趋势总结和深入思考，并呼吁加强跨学科交叉研究、学术界和工业界合作以促进神经调控技术的创新发展和转化应用（图1）。

图1. 神经调控技术的类别、发展和应用

　　关键性发展趋势：

　　1.开发功能性纳米材料减少侵入性并实现多模态调控。功能性纳米材料体积小，具有良好的物理和化学属性，可以避免电极插入大脑产生的副作用。此外，纳米材料能够通过实现不同能量模态的转换，以及将物理刺激与药物释放相结合来促进多模态神经调控。这种能力将极大地促进开发创新方法调控神经环路和功能的可能性。

　　2.开发小型化设备，实现无线供电。不论侵入性还是非侵入性神经调控，现有装置的尺寸体积较大且严重依赖有线电源供电，因而应用场景有限，亟需开发小型化设备摆脱有线电源依赖。无线供电将能够延长设备使用寿命和扩大应用场景。

　　3.开发用于实时神经调控的先进闭环方法。闭环神经调节能够基于个体生理状态实时调整刺激参数，实现最优调控效果并减少副作用。

　　鉴于以上发展趋势，本文进一步指出了神经调控技术在临床转化应用中存在的机遇和挑战。

　　机遇：

　　1.功能性纳米材料的进一步发展将能够以极低侵入性为精准和动态的神经调控开辟新途径，并且通过优化调控效果、整合调控和治疗功能满足定制化神经调控需求。

　　2.小型神经调控装置将受益于功能材料的商品化，实现微侵入性和非侵入性神经调控。

　　3.可穿戴设备的日益普及将加速闭环神经调控技术的转化应用，实现个性化和智能化的闭环神经调控。

　　挑战：

　　1.具有优越性能的先进纳米材料商品化程度较低，且免疫反应、长期生物相容性等安全性评估不足，因此在神经调控中的应用和转化仍存在困难。

　　2.小型神经调控装置的能量供给存在困难且功率储能有限，不能满足复杂系统的电力需求，需要设计优化的专用集成电路（ASIC）和电路配件或对尺寸和性能做出权衡，因而开发成本较高。

　　3.这些趋势性发展均局限于体外实验和动物实验中，其刺激效果和确切的调控机制仍然不清楚，需要更多的参数、动物和人类实验测试。

　　4.实时神经调控技术受技术、算法和设备等软、硬件阻碍，性能仍然不够满意。

　　5.神经调控应用的个体差异仍需要被关注，即使有相同的干预目标，剂量和疾病，个体之间的效果仍然可能差异很大，需要重视个体层面的精确研究。

　　6.神经调控领域应重视研究的可重复性和泛化性问题，未来的研究需要采用更大的样本量，提高测量的可靠性和有效性，最大程度地减少研究偏差、并倡导程序透明、数据公开的开放科学实践。

　　综上，神经调控技术是一个充满活力的领域，其进步离不开诸多领域与神经科学的交叉，其创新发展对于脑科学研究、脑疾病治疗和类脑智能均有深远影响。要想使神经调控技术在各个领域中充分发挥潜力，不仅需要神经科学研究界的共同努力，而且需要以材料科学、医学、工程为代表的多学科进行交叉合作，更需要整个行业的共同努力。尤其是学术界和工业界之间的密切合作，对于加速这些新兴技术的发展，并促进其作为科研工具、医疗工具的传播具有关键作用。

　　该研究得到了北京市自然科学基金项目（JQ22018）、国家自然科学基金项目（32071061）的资助。

　　论文第一作者为心理所博士研究生李镇江，通讯作者为胡理研究员。

　　论文信息：

　　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