“人们试图理解大脑的主流方式是阅读和记录电信号，”该论文的第一作者李金星说。“但化学信号在大脑沟通中起着同样重要的作用，它们也与疾病直接相关。李在斯坦福大学的鲍振安实验室开始并担任博士后工作。他现在是密歇根州立大学生物医学工程助理教授。鲍是斯坦福大学工程学院的K. K. Lee教授和化学工程系主任。

“我们第一次看到来自探测器的信号是尤里卡时刻。” —陈晓科博士

NeuroString测量多巴胺和血清素，这两种化学信使调节神经元中的电信号。多巴胺以其在大脑奖励系统中的作用而闻名;血清素是百忧解等抗抑郁药的靶标。两者都参与运动，睡眠，食欲和消化。

测量多巴胺和血清素的植入物已经存在，但它们是由包裹在玻璃管中的刚性碳棒制成的。“这些都是非常严格的探测器。它们非常脆，“李说。植入物不仅会破碎，还会对大脑中粘稠的组织产生摩擦，这会使脑细胞发炎并降解植入物。

李金星/宝实验室，斯坦福大学：小鼠结肠中的神经弦探针。

鲍的实验室设计了一个软探针。“我的团队制造软电子技术已经有一段时间了，”K. K. Lee教授、斯坦福大学工程学院化学工程系主任Bao说。探针由石墨烯制成，石墨烯是一种原子薄的碳形式。鲍的团队使用激光将李所描述的“毛茸茸的石墨烯纠缠网络”雕刻成塑料。该塑料含有在石墨烯表面变成纳米颗粒点的分子，可以提高同时测量多巴胺和血清素的灵敏度和选择性。然后，他们将网络嵌入到橡胶矩阵中。“石墨烯本身不是很可拉伸，但如果它被缠绕成网状并嵌入橡胶中，那么它就会变得可拉伸，”李解释说。

鲍补充说：“这就像一个桐生。如果你把图案切成，然后你可以拉伸它，你会看到某种中空连接的纸张网络。这里也是一样的，但网络是由石墨烯片组成的。NeuroString具有与生物组织相同的柔软度。“传感器柔软而有弹性，就像橡皮筋一样，植入大脑或肠道时不会造成损伤，这不仅柔软而且不断移动，”鲍说。

为了测试探针，鲍的团队与斯坦福大学生物学，精神病学，胃肠病学和外科的科学家合作。“我认为这是斯坦福大学最有特权的部分：它非常开放和协作，”李说。这项工作得到了斯坦福大学Bio-X种子基金和吴蔡神经科学研究所神经科学大创意基金的支持，这两项基金都鼓励跨学科合作。

在一项实验中，研究小组将NeuroString植入了同一只小鼠的大脑和肠道。当他们给小鼠喂食巧克力糖浆时，NeuroString检测到大脑中多巴胺的峰值和肠道中血清素的峰值 - 两者都是对巧克力的预期反应。多巴胺是在大脑中产生的，而血清素主要是在肠道中产生的。在另一项实验中，与健康小鼠相比，NeuroString在肠道炎症小鼠中检测到肠道血清素的独特模式。

“我们第一次看到来自探测器的信号是一个尤里卡时刻，”共同作者，生物学副教授Xiaok Chen说。“在自由移动的动物中慢性记录多巴胺和血清素信号是我们一直想做的梦想实验。通过这种美好的合作，我们能够实现这一目标。

植入的小鼠行为和饮食正常，排便正常。“关于该工具令人兴奋的事情是，它似乎没有破坏组织的正常功能，”共同作者，医学教授Aida Habtezion说。这意味着植入物有朝一日可以用于人类的实时监测，类似于智能手表，但能够跟踪生化水平，而不是心率或步数，她说。Habtezion目前正在休假，并担任辉瑞公司的首席医疗官，但在她还在斯坦福大学时就为这项工作做出了贡献。

照片由Stanford Bio-X拍摄：Zhenan Bao博士（左）和Xiaok Chen博士在实验室。

跟踪肠道中的血清素水平可能有助于诊断和监测肠道疾病，如肠易激综合征。跟踪大脑中的多巴胺水平可能对帕金森病有用，帕金森病是由缺乏多巴胺引起的。帕金森病的治疗方法之一，深部脑刺激，部分通过刺激神经元产生更多的多巴胺来起作用。如果深部脑刺激器可以与NeuroString配对，这将使医生能够精确控制释放的多巴胺量。

植入物尚未准备好用于临床。首先，探头仍然连接到读出信号的电线上;需要一个无线版本才能用于人类。与此同时，探测器在研究中有许多用途。例如，像百忧解这样的抗抑郁药通过调节血清素水平起作用，这可能解释了为什么它们有时会引起胃肠道副作用，Chen说。“我们现在拥有的工具可以实时监测这些药物对小鼠模型中大脑和肠道血清素波动的影响。

他补充说：“现在我们已经证明探测器是有效的，我们想要解决一长串生物学问题。

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