J CONTROL RELEASE | 糖尿病智能化治疗新突破：视觉驱动的光遗传系统

脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）涉及神经科学、工程学和人工智能等多个学科，能够在人脑与计算机间建立一种直接的交流与控制通道。随着经济发展、人口老龄化和人民生活方式的转变，糖尿病等慢性非传染性疾病的发病率大幅增加。为了满足日益增长的健康需求，本研究介绍了基于脑机接口的血糖调节创新疗法，开发了一种视觉驱动的光遗传智能系统（Visually Induced Optogenetically Engineered System，VISITER），通过解码脑电信号控制照明时间，并利用光遗传工程细胞调节哺乳动物细胞中治疗性蛋白的表达，实现糖尿病小鼠血糖稳态。这一发现展现出糖尿病患者自主控制胰岛素水平的潜力，有望推动神经生理学、临床研究及脑机接口等领域的发展。

脑机接口（BCI）在医疗康复、教育娱乐和国防军事等领域具有广泛的应用前景。脑电信号能够反映与用户行为意图相关的神经活动，事件相关电位（Event- Related Potential，ERP）脑电信号可以揭示注意、抑制和认知控制等方面的信息，在临床方面有着重要的应用。由于其鲁棒性和易诱发等特性，基于P300的视觉脑机接口系统广泛应用于目标检测任务。

糖尿病是一组以胰岛素分泌缺陷、胰岛素作用缺陷或两者兼有而引起的代谢性疾病，它会引起一系列长期并发症，包括视网膜病变、肾病、心脏病、中风和周围神经病变等，保持葡萄糖长期稳态控制至关重要。对于1型糖尿病（T1D）患者而言，他们的胰腺无法产生足够的胰岛素来满足身体的需求，需要终生依赖胰岛素治疗，并严格遵守饮食控制方案以保持血糖稳定。据此，建立一个自动化血糖调节系统对于糖尿病患者尤为重要。

本研究将半导体技术、合成生物学、神经科学和光遗传学相结合，开发了一套视觉驱动的光遗传智能系统，通过脑电信号精确控制治疗血糖药物的输送，为糖尿病患者提供了一种全新的自动化血糖调节方法。

图1 视觉驱动的光遗传智能系统示意图

1. 实验设计                     

本研究的目的是开发一种糖尿病自动化治疗系统，通过电极帽和EEG放大器记录大脑活动信号，使用模式识别方法进行解码，用以产生不同的输出命令控制照明时间，从而调节小鼠的胰岛素水平。研究设计了单一图像刺激模式，通过激发多种ERP成分以提供及时的反馈。在在线实验过程中，研发了一个转换接口将目标指令转化为生物反应来调节细胞活性。利用BphS系统工程获得光遗传设计细胞，这些细胞能够对光照时间做出相应的反应进而实现胰岛素的产生。在VISITER系统中，由自主电磁发射电路（EEC）控制的无线供电LED被封装在细胞中。随后，将含有细胞和LED的水凝胶植入小鼠背部皮肤下，无线供电的LED会根据不同的目标指令被激活。光照后测量小鼠的血糖和胰岛素水平。

2. 实验对象

本研究招募了6名健康受试者参加脑电实验，所有受试者视力正常。在实验前，所有受试者都被充分告知了整个流程。其次，10周龄雄性C57BL/6小鼠被禁食16小时后，在其腹腔注射链脲佐菌素，每天一次连续五天。注射两周后，空腹高血糖超过16.6 mmol/L的小鼠被确认为糖尿病，并进行进一步的实验。涉及人体受试者的实验程序经华东理工大学生命伦理委员会批准。同时，动物实验遵循华东师范大学动物保护与利用委员会制定的指导方针，并遵守中华人民共和国科学技术部关于动物保护的规定。

3. 脑电数据采集与分析

研究使用g.USBamp放大器和16通道g.EEGcap记录原始EEG信号。脑电电极位置遵循国际10-20系统，包括通道Fz、FC1、FC2、C3、Cz、C4、P3、Pz、P4、O1、Oz、O2、P7、P8、F3、F4，同时在右耳垂处放置一个参考电极，在FPz处放置一个接地电极。整个解码过程包括特征提取和模式分类。特征提取部分包括滤波、下采样和样本划分等过程，模式分类部分用以构建特定主题的模型。在线过程中采用自适应策略，根据分类器输出自动选择进行平均的试验次数。

4. 水凝胶体内生物相容性分析

将水凝胶植入物置于6周龄雄性C57BL/6小鼠背部皮下2天，对照组小鼠进行假手术。为了评估生物相容性，对小鼠全血进行即时分析。使用Sysmex XT-2000iV血液学分析仪进行全血细胞计数。采用BX-3010全自动生化分析仪评估肝功能指标（丙氨酸转氨酶、天冬氨酸转氨酶、白蛋白/球蛋白比）和肾功能指标（尿素）。分别采用小鼠IL-6 ELISA试剂盒和小鼠TNF-α ELISA试剂测定血清IL-6和TNF-α水平。所有生化血清评估同时进行，以尽量减少分析变异性。

5. VISITER系统调控下糖尿病小鼠的血糖控制

给小鼠植入含有HEK_{SEAP-P2A-mINS}细胞的水凝胶和含有LED的线圈。在指定的2天时间内，VISITER为LED供电，以照亮HEK_{SEAP-P2A-mINS}细胞。初始照明48小时后，凝血（37°C 0.5小时，4°C 2小时）离心（6000 × g 10分钟）采集血样进行分析测试和生理测试。

1. VISITER系统的设计与构建

受基于脑机接口（BCI）的中风康复系统启发，研究人员将BCI技术与光遗传学结合，开发了一套新型糖尿病治疗系统。在实验中，参与者专注于屏幕上显示的不同糖分水平的食物图片，通过解码脑电信号生成控制指令，精准调节系统运行。脑机接口系统诱发了三种不同类型的电位：N200、P300和N400。目标刺激的N200和P300电位在顶叶和枕叶区域表现出较高的振幅，N400电位在中央区表现出较大的振幅，表明这些区域的脑电信号具有明显的特征。此外先前的研究发现，视觉刺激主要反映在枕区，这与我们研究中使用的视觉脑机接口系统一致。对于在线结果，所有被试的在线平均准确率为95.83%，平均试验次数为3.46，证明了BCI系统的高性能和稳定性。

图2 所有被试的平均ERP波形图、R平方图和脑地形图

2. 控制盒

为了实现脑控系统与生物工程细胞的有机结合，研究团队设计了一款控制盒。该控制盒结合了半导体合成生物学的先进理念，能够接收受试者的脑电信号并将其转化为远红光光照时间的控制指令，从而调控植入小鼠体内光遗传细胞的基因表达。在实验中，不同的图片对应不同的光照时间，控制盒输出的远红光精确触发治疗药物（如胰岛素）的表达和释放。通过控制盒输出适当时间的远红光，T1D小鼠胰岛素水平相应升高，进而血糖水平降低。该系统将脑机接口控制与生物工程无缝结合，有效地实现了血糖自动控制。

图3 脑控系统和生物工程连接的控制盒

3.VISITER调控下糖尿病小鼠的血糖稳态恢复

为了评估VISITER在哺乳动物细胞内基因激活的功效，研究用FRL控制的转基因表达系统转染HEK-293T细胞，并将其暴露在VISITER驱动的LED阵列照明下。结果表明，SEAP的产生与VISITER控制的FRL照明持续时间直接相关，表明VISITER在精确调节治疗药物表达方面具有重要潜力。

在体内应用方面，HEK_{SEAP-P2A-mINS}细胞与无线LED一起包裹在水凝胶中，并将其植入T1D小鼠背部皮下。无线LED由VISITER供电，进而激活FRL以预定时间持续照明。值得注意的是，在VISITER系统的调控下，植入工程细胞的小鼠表现出胰岛素水平的剂量依赖性恢复，血糖水平的降低和葡萄糖耐量的改善。这些结果共同表明，视觉诱导系统可以有效而精确地控制哺乳动物细胞中治疗性蛋白的表达，从而促进糖尿病小鼠血糖稳态的恢复。

图4 VISITER系统调控下糖尿病小鼠的血糖稳态恢复。A)VISITER系统调控的小鼠血糖恢复示意图。B-E)光照后48小时分析血胰岛素(B)、血糖(C)、葡萄糖耐量(D)。E)D中葡萄糖耐量试验的AUC分析

脑机接口作为一种新兴的前沿科技技术，在康复治疗领域尤其是对中风、脊髓损伤等患者的辅助治疗方面展现出了显著的应用效果。本研究建立了脑机接口系统与光遗传学的直接联系，利用脑电信号控制转基因表达，评估其调节HEK-293T细胞蛋白表达的能力，为控制糖尿病小鼠的血糖水平提供了概念性验证。

这一突破性技术为糖尿病的智能化治疗开辟了新路径，同时也为其他慢性病的治疗提供了潜在可能。我们期待在未来的研究中，该系统也可以编码其他慢性疾病（如高血压）的各种治疗输出，推动光遗传学、医学合成生物学的实际应用，为未来的医疗健康科技发展开辟新方向。