我们通常认为可以通过读取和记录电信号来理解我们大脑，这是目前的主流方式。但是，除此之外，就没有其他方式了吗？

神经系统的化学信号

神经递质是大脑系统中的化学信号，它们在调节神经系统中起关键作用，它的失衡通常与精神健康障碍有关；此外，神经递质也是许多神经系统疾病的核心，包括帕金森病、成瘾和重度抑郁症。在中枢神经系统 (CNS) 中，单胺类物质，包括多巴胺 (DA) 和血清素 (5-HT)，参与情绪、觉醒和记忆等认知过程的调节。在中枢神经系统之外，胃肠（GI）系统中的 5-HT 占人体 5-HT 的 95%，密切调节肠道功能和微生物群，是肠-脑通讯系统的重要组成部分。因此，人们对监测 CNS 和 GI 系统中单胺的动态非常感兴趣。但是，如需更好地理解这些过程，研究人员需要工具来分析活体动物器官中的神经递质信号。

然而，研究体内生化信号的工具仍然有限。目前，研究人员主要通过两种技术进行研究：

1）基因编码荧光传感器。该技术在灵敏度、选择性和时空分辨率方面提供了许多优势；

2）电化学分析伏安法。它为临床生物电子学的应用提供了巨大的潜力，因为它普遍适用于未经转基因修饰的野生动物，并已被用于研究人类参与者的单胺动力学。

关键问题

首先，基因编码荧光传感器不适用于人类，因为涉及基因改造。其次，目前用于伏安法神经递质传感的仪器大多依赖二氧化硅封装的碳纤维电极，这些电极刚硬易碎，传感功能的可调性有限。这些刚性探头还可能导致早期设备故障或严重的炎症反应，因为由于心肺循环和身体运动，大脑正在经历不断的运动和变形。同样，胃肠道由一系列柔软、长而扭曲的器官组成，具有多种运动模式（蠕动或非蠕动）和丰富的机械感受器。在活跃的胃肠道中对 5-HT 动力学进行高保真电学或光学测量一直是一项长期挑战。

新方案

有鉴于此，斯坦福大学鲍哲南院士和陈晓科教授，以及密西根州立大学李金星教授等人通过利用基于石墨烯-弹性体复合材料，发明了一种用于监测单胺神经递质的柔性传感器，并称之为NeuroString，它可以安装在大脑或肠道上，而不会干扰器官的自身功能。

关键技术

1）该传感器基于快速扫描循环伏安法（FSCV）的技术。这包括快速升高和降低施加在探头上的电压，以反复氧化和还原目标神经递质，产生神经递质特定电流。

2）采用多功能的石墨烯材料。为了设计 NeuroString 探针，研究人员花了大约一年的时间测试不同的材料。经过广泛的筛选，该团队决定采用石墨烯作为电极材料，因为它可以催化多巴胺和血清素等单胺类神经递质的氧化。它还具有优异的电气性能、良好的生物相容性，并能承受弯曲、拉伸和扭转。

3）激光碳化的工艺制备纳米纤维网络。研究人员通过激光碳化的工艺，创造了一种用过渡金属纳米粒子装饰的石墨烯纳米纤维网络。这些纳米颗粒可以与神经递质结合并改善电子传递，使传感器适用于灵敏地和选择性地分析神经化学。

4）嵌入柔性基质。研究人员将石墨烯纳米纤维网络嵌入弹性体基质中，使其柔软且高度可拉伸，同时保持纳米材料独特的电化学性能。因此，石墨烯纳米纤维即使在基体中变形，也能保持互连的三维导电网络。

图|NeuroString用于监测大脑和肠道中的神经递质

技术优势：

1）不干扰宿主生理活动

随后，研究人员使用NeuroString进行长期、稳定地同时检测小鼠大脑中的多巴胺和血清素水平。在使用光遗传学刺激、药理学刺激和行为分析的一系列实验中，它表现良好并产生了低炎症反应。然后，还在胃肠道中测试了传感器，它的可拉伸性和柔软性很好地贴合了肠道组织，而不会干扰肠道蠕动或刺激不希望的血清素释放。

图|大脑中的神经化学监测

2）高保真监测两种化学信号

该设备在肠易激综合征的啮齿动物模型和大型动物模型中提供了对肠腔中释放的血清素的连续和高保真监测。NeuroString 的弹性特性使其适用于同时监测两个神经系统中的神经递质信号，并可能解决当前研究肠道化学动力学和与微生物相互作用的技术限制。

图|胃肠道系统中的神经化学监测

展望

综上所述，该柔软且适形的生物电子接口可以探测器官中复杂而通用的化学信号传导，这超越了电生理记录方法。该设备简单且微创，为研究肠道生理学和诊断肠易激综合征提供了机会。NeuroString 有可能揭示神经递质的动力学，以及它们在大脑与肠道及其微生物组之间交流中的作用。这项工作将有助于开发针对精神障碍患者的诊断方法，以及通过胃肠道干预的新治疗方法。

NeuroString 不如最新的基因编码荧光探针敏感或选择性高——这是伏安法固有的限制。但是诸如 NeuroString 之类的生物电子电化学传感器可能对人类特别有用，因为这些设备不需要对宿主进行任何基因改造。

未来，希望通过微加工或纳米加工来提高传感器的空间分辨率。还可以通过合并不同的探针，并最终将其与无线硬件集成，来提高其选择性和功能性。这应该能够验证其在大型动物大脑和肠道中的长期表现。甚至可以将传感器连接到用于调节目标神经递质浓度的系统。这种植入式闭环系统可用于实时重新编程人的大脑化学物质，实现新型的功能强大的脑机接口。

参考文献：

Jinxing Li, et al., A tissue-like neurotransmitter sensor for the brain and gut. Nature 2022, 606, 94-101.

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04615-2