神經(jīng)系統疾病，如頑固性疼痛、帕金森病和抑郁癥，在全球范圍內造成了巨大的健康和經(jīng)濟負擔。神經(jīng)調控是治療神經(jīng)系統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)、醫學(xué)、生物醫學(xué)工程、材料科學(xué)、計算科學(xué)等學(xué)科的交叉融合促進(jìn)了神經(jīng)調控技術(shù)的革新發(fā)展，各類(lèi)創(chuàng )新性的神經(jīng)調控技術(shù)也隨之涌現。針對神經(jīng)調控技術(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)調控技術(shù)的發(fā)展趨勢和未來(lái)方向，使神經(jīng)調控技術(shù)更好地服務(wù)于神經(jīng)系統疾病治療、腦功能解析和類(lèi)腦智能發(fā)展。

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

　　神經(jīng)調控被定義為“通過(guò)將刺激物（如電刺激或化學(xué)制劑）靶向遞送到體內特定神經(jīng)部位來(lái)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(kāi)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)調控技術(shù)，并應用在治療神經(jīng)系統疾病和解析大腦功能的研究中。然而，神經(jīng)調控技術(shù)在實(shí)際應用中仍然面臨各種阻礙，如危險的病毒工具、高侵襲性、較差的生物相容性、不穩定的治療效果以及對有線(xiàn)電源的依賴(lài)等。此外，傳統的神經(jīng)調控技術(shù)通常使用外部設置的固定參數，缺乏適應生理狀態(tài)而調整刺激參數的閉環(huán)調控能力，因此調控效果并不理想，甚至可能導致更嚴重的副作用（表1）。

表1. 現有神經(jīng)調控技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

　　基于此，本文對跨學(xué)科交叉研究背景下神經(jīng)調控技術(shù)的革新發(fā)展進(jìn)行了趨勢總結和深入思考，并呼吁加強跨學(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)調控技術(shù)的創(chuàng )新發(fā)展和轉化應用（圖1）。

圖1. 神經(jīng)調控技術(shù)的類(lèi)別、發(fā)展和應用

　　關(guān)鍵性發(fā)展趨勢：

　　1.開(kāi)發(fā)功能性納米材料減少侵入性并實(shí)現多模態(tài)調控。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(guò)實(shí)現不同能量模態(tài)的轉換，以及將物理刺激與藥物釋放相結合來(lái)促進(jìn)多模態(tài)神經(jīng)調控。這種能力將極大地促進(jìn)開(kāi)發(fā)創(chuàng )新方法調控神經(jīng)環(huán)路和功能的可能性。

　　2.開(kāi)發(fā)小型化設備，實(shí)現無(wú)線(xiàn)供電。不論侵入性還是非侵入性神經(jīng)調控，現有裝置的尺寸體積較大且嚴重依賴(lài)有線(xiàn)電源供電，因而應用場(chǎng)景有限，亟需開(kāi)發(fā)小型化設備擺脫有線(xiàn)電源依賴(lài)。無(wú)線(xiàn)供電將能夠延長(cháng)設備使用壽命和擴大應用場(chǎng)景。

　　3.開(kāi)發(fā)用于實(shí)時(shí)神經(jīng)調控的先進(jìn)閉環(huán)方法。閉環(huán)神經(jīng)調節能夠基于個(gè)體生理狀態(tài)實(shí)時(shí)調整刺激參數，實(shí)現最優(yōu)調控效果并減少副作用。

　　鑒于以上發(fā)展趨勢，本文進(jìn)一步指出了神經(jīng)調控技術(shù)在臨床轉化應用中存在的機遇和挑戰。

　　機遇：

　　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和動(dòng)態(tài)的神經(jīng)調控開(kāi)辟新途徑，并且通過(guò)優(yōu)化調控效果、整合調控和治療功能滿(mǎn)足定制化神經(jīng)調控需求。

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

　　3.可穿戴設備的日益普及將加速閉環(huán)神經(jīng)調控技術(shù)的轉化應用，實(shí)現個(gè)性化和智能化的閉環(huán)神經(jīng)調控。

　　挑戰：

　　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、長(cháng)期生物相容性等安全性評估不足，因此在神經(jīng)調控中的應用和轉化仍存在困難。

　　2.小型神經(jīng)調控裝置的能量供給存在困難且功率儲能有限，不能滿(mǎn)足復雜系統的電力需求，需要設計優(yōu)化的專(zhuān)用集成電路（ASIC）和電路配件或對尺寸和性能做出權衡，因而開(kāi)發(fā)成本較高。

　　3.這些趨勢性發(fā)展均局限于體外實(shí)驗和動(dòng)物實(shí)驗中，其刺激效果和確切的調控機制仍然不清楚，需要更多的參數、動(dòng)物和人類(lèi)實(shí)驗測試。

　　4.實(shí)時(shí)神經(jīng)調控技術(shù)受技術(shù)、算法和設備等軟、硬件阻礙，性能仍然不夠滿(mǎn)意。

　　5.神經(jīng)調控應用的個(gè)體差異仍需要被關(guān)注，即使有相同的干預目標，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)調控領(lǐng)域應重視研究的可重復性和泛化性問(wèn)題，未來(lái)的研究需要采用更大的樣本量，提高測量的可靠性和有效性，最大程度地減少研究偏差、并倡導程序透明、數據公開(kāi)的開(kāi)放科學(xué)實(shí)踐。

　　綜上，神經(jīng)調控技術(shù)是一個(gè)充滿(mǎn)活力的領(lǐng)域，其進(jìn)步離不開(kāi)諸多領(lǐng)域與神經(jīng)科學(xué)的交叉，其創(chuàng )新發(fā)展對于腦科學(xué)研究、腦疾病治療和類(lèi)腦智能均有深遠影響。要想使神經(jīng)調控技術(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)基金項目（JQ22018）、國家自然科學(xué)基金項目（32071061）的資助。

　　論文第一作者為心理所博士研究生李鎮江，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