NRR：上海交大崔东红团队综述太赫兹技术在脑科学研究的应用
NRR：上海交大崔东红团队综述太赫兹技术在脑科学研究的应用
神经信号的传递为何如此高效？如何精准成像脑部的病变组织？神经精神疾病的分子生物学机制研究如何突破瓶颈？如何减轻抗精神病药的毒副作用？是否存在神经精神疾病疑难杂症的非药物新疗法？今天的推文将告诉你一种可能性，其中的关键就是太赫兹波技术（图1）。
图1 太赫兹技术是解决脑科学难题一把新钥匙
太赫兹波通常是指频率0.1-10 THz，介于毫米波与红外光之间的电磁波，也称T-ray（图2）,被誉为是最后一个人类尚未完全认知和利用的频段,是近年来快速发展的新兴交叉前沿领域。太赫兹技术广泛应用于雷达、6G通讯、安检、物理化学、材料科学和生物医药等领域。
图2 太赫兹波的物理特性
太赫兹波穿透性强、光子能量低、不会造成电离损伤，许多生物大分子的振动和转动频率都处于太赫兹波段，这些“太赫兹指纹”包含有丰富的物理化学信息，能有效反映物质微观结构与状态，有利于无标记生物检测和医学诊断。研究表明生物体内存在丰富的太赫兹电磁信息，近年来太赫兹光谱和成像技术在神经科学领域的相关研究展尤其突出、引人注目（图3），展示出独特的优势和特点，这一崭新的T-ray为脑科学研究开启了新的视角。
图3 太赫兹技术在脑科学中的运用
最近，上海交通大学医学院附属精神卫生中心崔东红研究团队与中国科学院上海高等研究院上海光源中心赵红卫研究团队合作，以“太赫兹技术在脑科学中的运用”为切入点撰写了综述“A new horizon for neuroscience: terahertz biotechnology in brain research”，以“当期期刊亮点文章（current issue highlights）”发表于NEURAL REGENERATION RESEARCH杂志。
本综述针对神经科学领域的上述难题，从太赫兹技术的角度提供了解决问题的可能性。研究者通过太赫兹相关技术，发现髓鞘以及郎飞结在神经信号传递中高效节能的光子特性，提出了从量子角度阐述神经信号传递的新物理机制。神经递质与神经活动和精神疾病有密切关联，研究者们利用太赫兹技术发现多巴胺、去甲肾上腺素、褪黑素、γ-氨基丁酸等神经递质存在自己独特的太赫兹指纹图谱，氢键在这些神经递质的构象变化及与相关受体的结合中发挥着关键作用。
研究者还发现特定频率的太赫兹波可以加速抗精神病药与多巴胺D2受体的解离，为减轻其副反应提供了全新的可能性。针对阿尔茨海默病等神经退行性疾病，基于太赫兹技术与超材料传感实现了对淀粉样蛋白的体外灵敏检测，而太赫兹辐射可通过与Aβ原纤维共振松散其内部结构，减缓其异常聚积，这对非药物物理治疗阿尔茨海默病有重要的启发。大脑病变组织的精准成像及其边界的精确定位一直困扰着临床工作者。离体实验已通过太赫兹技术清晰区分脑卒中、脑胶质瘤、脑外伤等病变组织与正常脑组织，其成像结果与磁共振成像以及HE染色结果基本一致。太赫兹波对水具有敏感响应，基于病变脑组织与正常脑组织间不同的含水量，太赫兹技术可用于潜在的病理诊断。太赫兹光谱技术还可区分不同亚型、不同病理级别的脑胶质瘤。神经细胞胞膜对太赫兹辐射较为敏感，尤其胞膜上的离子通道（包括钠、钾、钙通道）以及水通道经太赫兹辐射后出现通透性的改变，这对细胞膜整体的通透性、兴奋性及信号传导具有重要意义。太赫兹辐射也能影响神经细胞的生长与凋亡及其神经内分泌功能，其中频率是关键。动物试验还显示太赫兹辐射可通过增加耳蜗毛细胞机械电转导通道与电压门控钾通道的电流来改善豚鼠听力，这为通过非植入手段治疗听力障碍提供了新的启示。虽然太赫兹波光子能量低，太赫兹辐射的生物效应是具有双面性，需进一步探索合适的辐射参数来最大限度地发挥其对神经系统的积极作用，为神经精神疾病的治疗提供新的可能的方案。
目前太赫兹技术在生物医学领域的应用还很初步，只是冰山一角，仍存在一些不足与亟待解决的“卡脖子”问题。其中一个关键无疑是水对太赫兹波的强吸收这一难题，水的强吸收限制了太赫兹波穿透充满脑脊液的深部组织，但挑战与机遇共存，部分脑器质性病变导致的间质含水量改变恰好为太赫兹成像技术检测如水肿等提供了助力。水与太赫兹波相互作用的微观机制研究也是该领域的热点，涉及如太赫兹波在水中的传输、共振响应和能量传递与耗散等。由于生物复杂性和目前现有测量技术水平限制，对生物体的太赫兹信号灵敏探测还有待发展。另外，太赫兹波辐射的生物学效应与安全性也是被关注的焦点，目前大多数研究还仅局限于体外的分子、细胞或动物层面，研究结果和所采用的生物样本种类、太赫兹频率、功率、辐照时间、环境条件等诸多因素有关。针对人体的系统研究还比较缺乏，当然这其中也需要充分考量伦理等因素。总的来说，目前利用太赫兹技术在神经科学领域的研究尚处于探索阶段，研究还局限于实验室中，离临床转化应用尚有较长的路要走，但无疑太赫兹技术为脑科学研究开启全新之门，在生物医学领域的应用具有光明的前景。