聚焦 | 纳米技术：我们的征程是星辰大“脑”

"原标题 | How Nanotechnology Will Help Us Probe the Brain in Unimaginable Detail 
原作者 | Edd Gent转载自 | singularityhub编译 | Olivia

编者按：我们的大脑约有 800 亿个神经元，每个神经元可能有 7000 个突触，他们的连接结构精密而让人震撼。就像浩瀚无垠的宇宙般，人类对于脑科学的探索才刚刚开始。随着纳米技术的进一步突破，人类大脑中更多难以描绘的细节被掀开了神秘的面纱。

长期以来，人类从未停止对大脑的探测和观察，而目前我们所掌握的“钝器”却不足以打破认知大脑的瓶颈。据研究人员表明，纳米技术的突破可能将会改变这种困境。

在过去的几十年里，神经科学经历了一场重要的技术革命。其中，脑机接口的快速改进和突破性尝试使得它成为当前神经工程领域中最活跃的研究方向之一。例如功能性磁共振成像技术，它使跟踪整个大脑的神经活动成为可能，又或是在光控制单个神经元方向上拥有巨大潜力的光遗传学。类似的颠覆性突破也让脑科学的应用领域正在逐步扩大。

尽管取得了巨大的进展，但距离够在单神经元的生物电位记录和刺激大脑方面仍然有很长的路要走。如果能够做到这一点可能对我们认知大脑、增强其功能和治疗疾病的能力会产生深远影响。

《自然方法》（ Nature Methods ）上的一篇新论文的作者表示，新兴的“纳米神经”领域或许是填补这一空白的关键。相关研究人员提及，纳米材料的独特性能和微小尺寸可以使我们以全新的方式和以前无法想象的规模来探测神经回路。

纳米技术也称毫微技术，其主要应用是缩小标准神经科学“工具箱”的尺寸。最近推出的一系列有关纳米探针和纳米电极的设计，利用推动计算机芯片小型化的相同原理，使得记录更多数量级的神经元成为可能。

这些纳米探针设计具备理想的特性，例如灵活性、光学功能和化学感应。而其他材料，如石英、碳纳米管和石墨烯也正在进行这一实验，每一种材料都有其独特的属性。

也许最重要的是，这些纳米技术的应用打开了亚细胞级别探测神经活动的大门。以纳米技术在神经元内进行最大程度上的应用可能会大大改善我们对大脑功能关键方面的理解。

不过，纳米技术的作用并不仅仅是把东西变小。当你以纳米尺度研究细胞内部各种细胞器的结构和功能时，物理学意义上的运作原理也发生了相应的改变。这意味着纳米材料具有奇异的特性，在研究细胞内部、细胞内外之间以及整个生物体的物质、能量和信息交换的过程中具有全新的功能。

例如，质子纳米粒子具有独特的光学特性，这也让它可以通过改变大小和结构形状从而轻松地进行调整。据研究人员表明，这些颗粒可以用来提高现有光遗传学方法的灵敏度，而光的激发可以提高单位神经元、或神经元与效应器细胞之间反射和传递信息的精度水平。

更小的 "量子点"是准零维 (quasi-zero-dimensional) 的纳米材料。当能量作用于它们时会发出各种颜色的光，这也是目前广泛应用于成像荧光染料的一种更持久和敏感的替代品。由于量子限域效应 (quantum confinement effect) 特别显著，所以发亮的荧光在各方向上的运动也被其内部电子所局限，因此它们有可能被广泛应用在读取神经元等相关领域。

纳米技术在生物科技的细分领域也具有很高的研究价值，例如纳米粒子可以吸收多个低能量的电子，并将其转换为高能量的电子。据研究人员表明，目前 “上转换纳米粒子"已经开始进入实验阶段。例如通过将它们注入动物的视网膜内，让小鼠看到红外线并将传入的信号转换为可见光等种种实验。

不过对于纳米技术而言，最强大的应用依旧源于纳米粒子的磁性，而人体几乎完全不受磁场的影响。这为在生命本体不受损的状态下，将带有磁性的介质送入生物组织内部提供了新的可能。或许能够将磁场转化、触发神经元刺激的纳米粒子会成为调节大脑活动的有力工具。

据研究人员表明，目前，能够有效地将纳米粒子运送到固定位置仍然是一个挑战。而生产大量的纳米粒子同时对生物本体不产生影响的实验也有待时间的考量。虽然早期研究表明许多纳米材料具有生物相容性，但要证明它们在人类身上使用是足够安全的，这仍然需要时间。

纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，能够在不同领域之间建立起联系也具有一定的挑战性。但如果能够克服这些障碍，在不久的将来，我们可能会在脑科学领域取得重大突破。相关研究人员也表明，对于纳米技术的研究可能会在生命科学、医学领域具有重大而令人兴奋的深远影响。

文章来源：

Image Credit: Nanoparticles for drug delivery. Annie Cavanagh / CC BY-NC 4.0

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