新型纳米设备首次实时记录肠脑双向信号——实时"窃听"肠脑对话

导语：你是否曾在紧张时感到"肠胃打结"？或在焦虑时食欲全无？这并非心理作用，而是胃肠道这个"第二大脑"在与颅脑进行实时对话。2025年10月，英国剑桥大学与美国达特茅斯学院的科学家在《Nature Communications》发表突破性研究：他们研制出一种仅10微米（比头发丝细10倍）的超柔性纳米设备，首次在清醒、自由活动的动物体内，连续记录了肠神经系统（Enteric Nervous System, ENS）与大脑之间的双向生物电信号。这一技术不仅让我们第一次"听到"肠道与大脑的隐秘对话，更为肠易激综合征（IBS）、炎症性肠病（IBD）甚至抑郁症、帕金森病等疾病的精准治疗，打开了全新的大门。

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一、"第二大脑"的声音：为何如此难以捕捉？

肠神经系统被称为"第二大脑"，因其拥有约5亿至6亿个神经元——数量接近脊髓，远超任何其他外周器官。这些神经元分布在消化道壁的两层肌肉间（肌间神经丛）和黏膜下（黏膜下神经丛），能够独立控制肠道蠕动、分泌和血流，甚至无需大脑指令即可完成消化。更令人惊讶的是，人体90%的血清素（5-羟色胺,5-HT）和50%的多巴胺，都是在肠道中合成的——这些正是调控情绪、睡眠和运动的关键神经递质。

然而，ENS的活动长期被视为"黑箱"。传统电生理技术面临两大难题：首先，肠道持续蠕动、扭曲、充满液体和食物，刚性电极植入后极易脱落或损伤组织；其次，ENS的神经元微小（直径仅10-30微米）且分散，传统电极无法同时记录多个神经元的协同活动。过去的研究多依赖离体组织切片或麻醉动物，这些条件下的神经活动与真实生理状态相去甚远。

"想象一下，你试图在水下的弹簧床上放置麦克风，记录两个在蹦跳者的对话——这就是我们面临的挑战，"该研究的通讯作者、剑桥大学工程系教授Róisín Owens在采访中形象地比喻。

肠神经系统通过迷走神经与大脑形成双向通信网络，调控消化、免疫和情绪（来源：Nature Reviews Neuroscience）

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二、纳米"窃听器"：柔如发丝，敏如神经

研究团队开发的纳米设备采用了三项关键创新技术。首先是超柔性基底：设备由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚酰亚胺（PI）复合材料制成，总厚度仅5微米，杨氏模量（衡量材料硬度的指标）低至2 GPa——远低于传统硅基电极的170 GPa，使其能够像"电子纹身"般贴合肠道组织，随蠕动自然弯曲而不脱落。

其次是高密度微电极阵列：设备表面分布着32个直径仅15微米的金电极点，间距50微米，能够同时记录多个神经元的放电活动，并通过算法区分不同神经元的"声纹"（spike waveforms）。

第三是生物相容性涂层：电极表面涂覆一层导电聚合物PEDOT:PSS（聚3,4-乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐），这种材料不仅降低了电极阻抗（提升信号质量），还具备优异的生物相容性，植入后炎症反应极低，能够稳定工作长达30天。

在体验证中，研究者将设备植入大鼠小肠的肌间神经丛层，固定在浆膜层上。设备通过一根超细柔性导线（直径0.3 mm）连接至动物背部的无线记录模块，允许动物自由活动、进食和社交。这是首次在完全清醒、无束缚状态下,长时间记录ENS的自发神经活动。

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三、肠脑对话的"实况转播"：应激与进食的神经密码

利用这一设备，研究团队首次揭示了ENS在不同生理状态下的动态活动模式。在基线状态（大鼠安静休息）下，ENS神经元以每秒0.5-2次的频率自发放电，呈现出规律的节律性波动（周期约3-4分钟），这与肠道的"移行性运动复合波"（MMC）同步——MMC是肠道在禁食期清扫残留食物的"自洁程序"。

当研究者施加急性应激刺激（轻微束缚5分钟）后，ENS神经元的放电频率在2分钟内迅速飙升至基线的2.8倍，持续时间约15分钟。更令人惊讶的是，这种增强的神经活动主要发生在5-羟色胺能神经元（通过免疫荧光标记验证），提示应激时肠道血清素释放增加——而血清素正是调控肠道动力和情绪的双重信使。这一发现与临床观察高度一致：IBS患者在心理压力下，血清素水平异常升高，导致腹痛和腹泻。

相反，当大鼠进食后，ENS的活动模式转变为更复杂的"簇状放电"（burst firing）：多个神经元在短时间内（50-200毫秒）协同放电,随后进入静默期。研究者通过药理学阻断实验证实，这种簇状放电依赖于胆碱能神经元（分泌乙酰胆碱），它们负责协调肠道的推进性蠕动，将食物向下游输送。

"我们第一次看到，肠道神经元不是杂乱无章地'喊叫'，而是像交响乐团一样，根据大脑和身体的需求，演奏不同的'乐章'，"该研究第一作者、达特茅斯学院博士后Amparo Güemes González如此形容。

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四、从机制到疗法：精准调控"第二大脑"

这项技术的最大价值在于，它不仅是"观测工具"，更可能成为"治疗平台"。研究团队已在IBS动物模型（通过水避免应激诱导的内脏高敏感大鼠）中验证，疾病状态下的ENS呈现异常的高频持续放电（基线频率的3.2倍），且对正常的进食信号反应迟钝。通过在设备上施加微弱电刺激（频率10 Hz，脉宽200微秒），能够"重启"ENS的节律性活动,使其恢复正常模式,并在30分钟内缓解动物的腹痛行为（通过腹部回缩反射评估）。

这种"神经调控"思路并非全新——迷走神经刺激疗法（VNS）已用于治疗难治性癫痫和抑郁症，但传统VNS刺激的是连接大脑与内脏的"高速公路"（迷走神经主干），无法精确靶向ENS的局部回路。而新设备能够像"精确制导导弹"般，只调控特定肠段的神经活动，避免全身副作用。

美国约翰斯·霍普金斯大学胃肠病学家Pankaj Jay Pasricha（未参与该研究）评论道："如果这一技术在人类临床试验中有效，它可能改变我们治疗功能性胃肠病的范式——从盲目用药到精准调控神经回路。"目前，Owens团队已与医疗器械公司合作，计划于2026年启动人类首次植入试验（针对重度IBS患者）。

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五、更广阔的前景：肠脑轴与大脑疾病

肠脑轴的失调不仅与胃肠疾病相关，越来越多证据显示，它在神经精神疾病中也扮演关键角色。例如，约70%的帕金森病患者在运动症状出现前10-20年，就已出现便秘和胃排空延迟——病理研究发现，异常折叠的α-突触核蛋白（帕金森病的标志性蛋白）最早聚集在ENS中，随后通过迷走神经"爬升"至大脑。如果能够在ENS阶段就检测到这些异常信号，甚至通过局部神经调控清除错误折叠蛋白，或许能在疾病早期阻断其进展。

此外，抑郁症和自闭症谱系障碍患者中，肠道微生物组紊乱和ENS功能异常的发生率远高于普通人群。新型纳米设备可以帮助研究者解析：微生物代谢产物（如短链脂肪酸、色氨酸代谢物）如何通过ENS影响大脑的情绪回路？是否存在特定的"病理性神经编码"？

"肠道不仅是消化器官，更是理解大脑健康的一扇窗口，"Owens教授说，"当我们学会倾听'第二大脑'的语言时，可能会发现治愈许多'第一大脑'疾病的新线索。"

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六、技术挑战与伦理思考

尽管前景诱人，但从实验室到临床仍面临诸多挑战。首先是长期稳定性：虽然动物实验中设备可工作30天,但人类肠道环境更复杂（pH波动、消化酶侵蚀、免疫反应），是否能维持数月甚至数年的稳定记录尚待验证。其次是数据解读：ENS神经编码远比我们想象的复杂，目前尚无统一的"神经语言字典"来翻译不同放电模式的生理意义，需要结合机器学习和大规模数据库建立预测模型。

此外，神经调控技术也引发伦理争议：如果设备能够实时监测并调控肠道（甚至情绪）活动，谁拥有这些神经数据的所有权？是否存在被滥用的风险（如强制改变饮食欲望、情绪状态）？正如神经科技伦理学家Rafael Yuste所警告："当技术能够读写神经活动时，我们必须建立严格的'神经权利'框架，保护个体的认知自由和神经隐私。"

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结语：从"黑箱"到"透明化"，从"被动诊断"到"主动调控"，这台纳米设备标志着肠脑轴研究进入了"可观测、可操控"的新时代。当我们终于能够倾听胃肠道这个"第二大脑"的细语时，或许会发现：真正的智慧，不仅存在于头颅之中，也流淌在蜿蜒的肠道之间。

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参考文献：

[1] Güemes González, A., Zhang, Y., Salleo, A., Owens, R. M., et al. (2025). Conformable bioelectronic interfaces for chronic recording of enteric nervous system activity in freely moving animals. Nature Communications, 16, Article 1234. https://www.nature.com/articles/s41467-025-65473-w

[2] Furness, J. B. (2012). The enteric nervous system and neurogastroenterology. Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology, 9(5), 286-294.

[3] Pasricha, P. J., & Grover, M. (2024). The brain-gut axis in functional GI disorders. Gastroenterology, 166(4), 789-802.

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作者：超能文献团队 | 超能文献(https://suppr.wilddata.cn/)