像我们许多人一样，西奥多罗斯·扎诺斯讨厌去看医生。作为纽约州马纳塞特范斯坦医学研究所的研究员，他往往避免去看他的全科医生，除非他已经生病或疼痛。但因为他喜欢他的智能手机和其他小工具，他想知道为什么一块硬件不能在他真的应该去看医生的时候告诉他——没有任何如果、并且或但是。扎诺斯和他的同事正在研究他们希望有一天能够倾听和解码身体的电信号，捕捉疾病预警信号的技术。
“因为我总是用手机，而且它不断提醒我几乎所有事情，我一直认为研究一种技术会很酷，这种技术可以让我的手机在我快要生病时告诉我去看医生——或者，更好的是，在症状出现之前自动治疗疾病，”范斯坦生物电子医学中心助理教授扎诺斯说。“这就是我们试图开发的技术。”
这项研究的方法图解描绘了电极如何放置在小鼠的迷走神经上（左图）。动物被注射了细胞因子肿瘤坏死因子（TNF）和白细胞介素-1β（IL-1β）。一个解码系统（右图）使用机器学习算法分析来自电极的数据，确定关于小鼠暴露于细胞因子的信息——细胞因子是细胞用来相互发出信号以触发免疫反应的化学物质。 来源：范斯坦医学研究所
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研究人员需要花费大量时间才能使用电脉冲诊断并可能治疗疾病。但扎诺斯认为，在不久的将来，可以通过神经植入物监测某些疾病，如糖尿病、类风湿性关节炎、克罗恩病和慢性阻塞性肺病。
扎诺斯和范斯坦的同事，以及来自通用电气全球研究中心的合作者，本周在PNAS上发表了一项研究，表明朝着这个目标迈出了一些基本步骤。这项研究检查了小鼠神经中的电信号，描述了研究人员如何分离和解码与两种不同细胞因子相关的信号——细胞因子是引起炎症的分子，也被细胞用来传递炎症状态并触发免疫反应。
研究人员给一些小鼠注射了细胞因子白细胞介素-1β和肿瘤坏死因子。他们在动物头部下方暴露的迷走神经部分植入了袖带电极，迷走神经是身体-大脑信息交换的主要通道。电极记录了电脉冲，然后用一种相对简单的机器学习算法——朴素贝叶斯进行处理。它区分了小鼠暴露于细胞因子和未暴露于细胞因子时的信号。研究人员表示，这项研究是首次使用神经信号检测到特定的细胞因子暴露。
有一天，类似的设备能否植入人体，告诉用户何时出现问题以及何时应该去看医生？这个概念并非牵强附会。迷走神经向下延伸到颈部，并穿过内脏器官。自1988年以来，迷走神经刺激器设备已植入癫痫患者体内，并于1997年获得 FDA 批准用于治疗该疾病。这种方法的机制尚不清楚，但当抗癫痫药物无效且传统手术不可行时，它可以帮助控制癫痫症状——有时可将癫痫发作减少 50% 以上。这些植入物于 2005 年获准用于治疗抑郁症，并且正在研究作为类风湿性关节炎、阿尔茨海默病、多发性硬化症和其他慢性疾病的潜在疗法。
然而，窃听迷走神经中 80,000 到 100,000 根纤维中流动的脉冲具有挑战性，部分原因是神经被结缔组织鞘包裹。刺激器之所以有效，是因为它们施加的电场远大于迷走神经脉冲本身。“我们研究的原理与迷走神经刺激相同，但我们不是刺激——我们是在记录，”扎诺斯说。“如果你使用与刺激相同的方法并尝试记录，很可能你什么也得不到，因为结缔组织会衰减信号。本研究的共同作者哈罗德·西尔弗曼所做的创新之处在于，他在小鼠体内放置电极之前去除了迷走神经的鞘。这在人类身上尚未完成。”
另一个挑战是正确解释从这些微小的神经信号中收集的数据，并消除来自心脏和其他地方的无关“噪声”。研究人员表示，他们的机器学习算法平均能正确猜测是否注射了细胞因子，以及使用了哪种细胞因子，正确率达 83%；如果随机选择，正确率将为 33%。哈佛医学院微生物学和免疫生物学助理教授艾萨克·邱说：“从复合信号中解码出特定信号的特征的想法可能非常有用，而不仅仅局限于迷走神经。”他没有参与这项研究。“在研究中，他们使用了两种细胞因子的简单条件，这是一个良好的开端。然而，在复杂的疾病中，神经信号的类型可能很多，因此尚不清楚是否能够解码所有信号以获得有意义的信息。”
研究人员还在使用他们的方法来检查代谢变化，给小鼠注射胰岛素或葡萄糖，并寻找迷走神经反应。通过使用更先进的机器学习技术评估这些反应，可以将迷走神经活动与血糖水平相关联。根据扎诺斯的说法，原则上这可能会产生“神经血糖仪”。
宾夕法尼亚大学生物工程和神经科学教授康拉德·科丁说：“我认为这项研究非常引人入胜。”他没有参与这项工作。“这是神经解码领域正在成熟的又一个迹象。他们没有专注于解码的可能性，而是将解码作为理解生物学的工具。解码正在从一个研究领域转变为在整个科学领域都有用的工具。”科丁设想，在大约 20 年后，该领域可能有助于生产“卢克·天行者式假肢”，他指的是《星球大战》系列电影中主角逼真的假手。
研究共同作者、范斯坦总裁兼首席执行官凯文·特雷西说：“生物电子医学结合了神经科学、分子生物学和生物工程，以利用神经系统帮助身体自我修复。”“制造有效且有针对性的生物电子医学设备取决于我们对疾病及其神经信号有多少了解。例如，如果我们知道迷走神经中的神经元如何发出类风湿性关节炎炎症的信号，我们就可以开发出在需要时停止或改变这种信号的设备。”