大脑和消化道不断沟通，传递有助于控制进食和其他行为的信号。这种广泛的沟通网络也会影响我们的精神状态，并与许多神经系统疾病有关。

麻省理工学院的工程师设计了一种新技术来探测这些连接。研究人员证明，利用嵌入各种传感器的纤维以及用于光遗传学刺激的光源，它们可以控制小鼠肠道和大脑之间连接的神经回路。

在一项新的研究中，研究人员证明，他们可以通过操纵肠道细胞来诱发小鼠的饱腹感或寻求奖励的行为。在未来的工作中，他们希望探索消化健康与自闭症和帕金森病等神经系统疾病之间观察到的一些相关性。

“令人兴奋的是，我们现在拥有可以驱动肠道功能和喂养等行为的技术。更重要的是，我们有能力以光遗传学的毫秒精度开始研究肠道和大脑之间的串扰，并且我们可以在行为动物身上做到这一点。”Matoula S. Salapatas 材料科学与工程教授 Polina Anikeeva 说道脑与认知科学教授、K. Lisa Yang 脑体中心主任、麻省理工学院电子研究实验室副主任、麻省理工学院麦戈文脑研究所成员。

Anikeeva 是这项新研究的资深作者，该研究今天发表在《自然生物技术》杂志上。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 Laura Rupprecht、麻省理工学院博士后 Sirma Orguc 和前麻省理工学院博士后 Tural Khudiyev。

大脑与身体的联系

去年，麦戈文研究所成立了 K. Lisa Yang 脑体中心，研究大脑与身体其他器官之间的相互作用。该中心的研究重点是阐明这些相互作用如何帮助塑造行为和整体健康，目标是开发针对各种疾病的未来疗法。

“身体和大脑之间存在持续的双向串扰，”阿尼克耶娃说。“长期以来，我们认为大脑是一个将输出发送到器官并控制一切的暴君。但现在我们知道有很多反馈回到大脑，这种反馈可能控制一些我们之前完全归因于中枢神经控制的功能。”

作为该中心工作的一部分，阿尼克耶娃着手探测大脑和肠道神经系统（也称为肠神经系统）之间传递的信号。肠道中的感觉细胞通过神经元通讯和激素释放影响饥饿感和饱腹感。

解开这些激素和神经效应一直很困难，因为还没有一种好的方法来快速测量在几毫秒内发生的神经元信号。

“为了能够进行肠道光遗传学，然后测量对大脑功能和行为的影响，这需要毫秒级的精度，我们需要一种不存在的设备。因此，我们决定成功。”负责肠道和大脑探针开发的萨哈斯拉布德 (Sahasrabudhe) 说道。

研究人员设计的电子接口由柔性纤维组成，可以执行多种功能，并且可以插入感兴趣的器官。为了制造纤维，萨哈斯拉布德使用了一种称为热拉丝的技术，这使他能够制造出大约与人类头发一样细的聚合物丝，可以嵌入电极和温度传感器。

这些细丝还带有可用于光遗传学刺激细胞的微型发光装置，以及可用于输送药物的微流体通道。

纤维的机械性能可以定制以用于身体的不同部位。对于大脑，研究人员创造了更硬的纤维，可以深入大脑。对于肠道等消化器官，他们设计了更精致的橡胶纤维，这些纤维不会损坏器官内壁，但仍然足够坚固，可以承受消化道的恶劣环境。

“为了研究大脑和身体之间的相互作用，有必要开发能够同时与感兴趣的器官和大脑进行交互的技术，同时以高信噪比记录生理信号，”萨哈斯拉布德说。“我们还需要能够选择性地刺激小鼠两个器官中的不同细胞类型，以便我们可以测试它们的行为并对这些回路进行因果分析。”

这些纤维还被设计成可以使用外部控制电路进行无线控制，该电路可以在实验过程中暂时固定在动物身上。这种无线控制电路是由施密特科学研究员Orguc 和 Harrison Allen '20、MEng '22 开发的，他们是 Anikeeva 实验室和麻省理工学院工程学院院长 Anantha Chandrakasan 和 Vannevar Bush 实验室的共同顾问电气工程和计算机科学教授。

驾驶行为

利用这个界面，研究人员进行了一系列实验，证明他们可以通过操纵肠道和大脑来影响行为。

首先，他们使用这些纤维向大脑的腹侧被盖区（VTA）部分传递光遗传学刺激，该部分释放多巴胺。他们将小鼠放入具有三个室的笼子中，当小鼠进入一个特定的室时，研究人员激活了多巴胺神经元。由此产生的多巴胺爆发使小鼠更有可能返回那个房间寻找多巴胺奖励。

然后，研究人员试图看看是否也可以通过影响肠道来诱发寻求奖励的行为。为此，他们利用肠道中的纤维释放蔗糖，这也激活了大脑中多巴胺的释放，并促使动物寻找蔗糖被输送时它们所处的腔室。

接下来，研究人员与杜克大学的同事合作，发现他们可以通过跳过蔗糖和光遗传学刺激肠道神经末梢来诱导相同的寻求奖励行为，这些神经末梢为迷走神经提供输入，迷走神经控制消化和其他身体功能。

“我们再次获得了人们以前通过刺激大脑看到的这种位置偏好行为，但现在我们没有接触大脑。我们只是刺激肠道，我们正在观察外围对中枢功能的控制，”Anikeeva 说。

Sahasrabudhe 与杜克大学 Diego Bohorquez 教授小组的博士后 Rupprecht 密切合作，测试纤维控制进食行为的能力。他们发现这些设备可以通过光遗传学刺激产生胆囊收缩素的细胞，胆囊收缩素是一种促进饱腹感的激素。当这种激素释放被激活时，动物的食欲就会受到抑制，即使它们已经禁食了几个小时。研究人员在刺激产生一种名为 PYY 的肽的细胞时也表现出了类似的效果，这种肽通常会在食用非常丰富的食物后抑制食欲。

研究人员现在计划使用这个界面来研究被认为具有肠脑联系的神经系统疾病。例如，研究表明，自闭症儿童比同龄人更有可能被诊断出胃肠道功能障碍，而焦虑症和肠易激综合症则具有共同的遗传风险。

“我们现在可以开始问，这些是巧合，还是肠道和大脑之间存在联系？也许我们有机会利用这些肠脑回路，通过以不直接“接触”大脑且侵入性较小的方式操纵外围回路来开始管理其中一些情况，”Anikeeva 说。

该研究部分由 Hock E. Tan 和 K. Lisa Yang 自闭症研究中心、K. Lisa Yang 脑体中心、国家神经疾病和中风研究所、国家科学基金会 (NSF) 资助材料科学与工程中心、美国国家科学基金会神经技术中心、国家补充和综合健康中心、美国国立卫生研究院院长先锋奖、美国国家心理健康研究所以及美国国家糖尿病、消化和肾脏疾病研究所。