How Bioelectronics Could Heal Our Bodies And Minds, with Bozhi Tian
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想象一下，未来创可贴可以与你的细胞对话，起搏器由光能驱动，你的肠道微生物组得到调整——这一切都归功于微小的生物电子设备。听起来像是科幻小说，对吧？再想想。芝加哥大学的田博志教授正处于生物电子学的先锋地位，他正在建造能够治愈、增强，甚至可能改变人类意义的活体机器。在本集中，他解释了他研究实验室的工作，并探讨了生物学与技术相遇时令人兴奋、奇怪，有时令人不安的世界。 </context> <raw_text>0 如果技术的未来不是你随身携带在口袋里或系在手腕上的东西，而是存在于你皮肤下的东西呢？不是我们插入的电脑，而是插入我们的电脑。生物学和技术之间的界限已经模糊，而生物电子学正处于这场变革的最前沿。生物电子学。

这项新兴科学与小工具或电线无关。它关乎生物学和技术之间的无缝连接，消除了你与它之间的界限。事实上，赛博格可能并非像我们曾经认为的那样是虚构的。

那是田博志，芝加哥大学化学教授，他领导着一个研究小组，开发各种各样的生物电子产品，为我们的赛博格未来铺平道路。“赛博格”这个词可能会让我们想起笨重、未来派机器的形象。但现实可能要优雅得多。

这些技术可能看起来不像笨重的机械植入物，而是薄而灵活的，并无缝地整合到体内。这真的模糊了人与电子之间的界限。想象一下，电子设备不仅能治愈你的身体，还能升级它。

微小的设备能够理解你细胞的语言，增强你的感官，并对抗疾病。这并非科幻小说的内容。这是科学，而且现在正在发生。

想象一下，可穿戴贴片主动调节我们的肠道微生物组，或者神经植入物可以帮助我们发现隐藏的认知潜力，或者像皮肤一样的设备可以实时监测和优化我们的健康。这些都是可能的。田的实验室一直在生物电子设备方面取得突破。我们正在设计硅

与生物系统直接相互作用，使其不仅仅是被动材料，而且是神经信号或心脏调节等过程中的积极参与者。因此，目标不仅仅是像我们在工业中制造计算机芯片那样使设备更小或更快，

而是使它们更智能、更具适应性，并且与我们设计的生物学深度整合，它们的设计是为了支持这些生物学。这项技术甚至可以在最小的尺度上存在。想象一下微小的设备可以进入你的细胞，并调整你身体的电信号。

所以我希望有一天，这种高精度的细胞内工具能够彻底改变医学和合成生物学。例如，它们可能能够引导干细胞再生组织，并且可以直接将药物输送到单个细胞的正确部位。但真正令人震惊的是，这些工具不仅可以用于你的身体，还可以用于你的大脑。这种光刺激还可以帮助

实现对例如大脑活动的调制，具有高空间和时间分辨率。因此，增强感官知觉实际上是这些可能性中一个非常令人兴奋的前沿领域。欢迎来到《Big Brains》播客，我们将把最大的想法和复杂的发现转化为您可以使用的脑力食物。我是你的主持人保罗·兰德。在今天的节目中，我们将讨论我们的生物电未来。

《Big Brains》由芝加哥大学的在线自由艺术硕士项目支持，该项目使在职专业人士能够深入思考、清晰沟通和有目的地行动，以提升他们的职业生涯。可以选择伦理与领导力、文学研究以及科技与社会等专业方向。更多信息请访问mla.uchicago.edu。让我们分解一些这些词。 “生物电子学”这个词究竟是什么意思？

和

你开始对材料科学和生物学的交叉领域感兴趣，这是一个非常有趣的组合。你究竟是如何决定将这两者结合起来的？

从小我就对自然自我修复和适应的能力着迷。我一直对一些天然存在的生物材料（如骨骼或海绵）的复杂结构感到惊叹。对不起，骨头还是什么？海绵。好的，海绵。对，海绵。在这些结构中，无机材料实际上构成了这些复杂结构骨架的大部分。

在我本科学习期间的某个时刻，我发现自己正在观察这些材料，然后问自己，如果……

这可以变成金属或半导体，同时仍然保持这些复杂的结构？如果它们能够以更无缝和动态的方式与细胞和组织相互作用呢？这个问题真的困扰着我。好的。如果你仔细想想，它确实以某种方式呈现出科幻小说的感觉。那么，你有没有说过，你知道，这是一个似乎很牵强但我想我可以实现的概念的时刻？好吧，实际上……

说实话，我并没有看过很多科幻小说。别误会我的意思。它确实很吸引人，我知道它如何激励许多人。但对我来说，创造的火花真正来自其他地方。我喜欢运用我的想象力，但它更多地植根于艺术和自然世界。蜘蛛织网的方式或我刚才提到的海绵的结构。

它就像一个为工程设计的完美蓝图。这就是我看到创新的地方，不是在遥远的星系，而是在我们自己世界细节中。我还提到了艺术。艺术也扮演着重要的角色。

例如，观察光线如何在雕塑或抽象绘画中的其他图案上舞蹈，经常会给我一些设计能够与生物学无缝融合的材料的想法。所以我会说，科幻小说对某些人来说很棒，但对我来说，真正激发我好奇心的是日常生活中

和自然的神秘之处。因此，如果你正在设计一个要在机器或其他电子设备中工作的半导体，它必须兼容，但不一定从生物学的角度来看。与如果不是实际的硬件相比，你必须记住哪些关于真正连接生物学和技术的事情？

生物相容性可能是创建这些生物电子系统最大的挑战之一。因此，我们使用的材料必须与身体的组织无缝融合。这并非易事。生物系统极其动态。它们不断变化、生长，并对周围环境做出反应。因此，诸如硅之类的材料，短期内可能效果很好，但

但随着时间的推移，它可能会引发炎症、排斥甚至免疫反应。例如，在我们实验室中，为了应对这一挑战，即生物相容性挑战，我们必须使材料非常灵活、柔软，几乎与天然组织的机械性能相匹配。但与此同时，我们需要修改表面。工程师

使用某些化学物质或某些聚合物涂层处理表面，以便它们能够抵抗降解并最大限度地减少免疫反应。我们目前正在使用两种策略。第一种是使材料更灵活，几乎像薄薄的一层组织。

所以这是第一种策略，使它们在机械上更柔顺。第二种策略是改变它们的表面化学性质，以便它们能够更好地与盐和组织相互作用。设计能够与身体无缝融合的材料是一项令人难以置信的挑战，但这仅仅是开始。一旦你构建了身体可以接受的东西，下一个问题就变成了，你如何让它解决身体无法独自处理的问题？

例如，如果对抗生素耐药性等巨大挑战的解决方案根本不是一种新药，而是完全不同的东西呢？抗生素的过度使用已经造成了一场全球性健康危机，导致耐药超级细菌的出现，这些细菌越来越难以，有时几乎不可能治疗。我们仍在与所谓的超级细菌作斗争。

对几乎所有抗生素都具有耐药性的细菌。我们越不加区分地依赖抗生素，我们就越会促使细菌进化出防御机制。这是一个问题。它还会造成我们不想看到的恶性循环。抗生素耐药性每年导致全球 70 万人死亡。专家预测，到 2050 年，它将超过受癌症影响的人数。

其中一个主要原因是抗生素的过度使用。在我们看来，这种贴片提供了一种具有变革意义的解决方案。田的实验室开发的这种贴片是一种使用生物电子学治疗细菌感染的革命性方法。

它实际上使用精确且局部的电信号来靶向感染源处的细菌。它是一种无药物的替代方法，可以完全降低耐药性风险，因为它不涉及细菌可以适应的任何化学物质。

因此，通过破坏它们的活动，而不是直接杀死它们，PET 避免了产生耐药性的进化压力。它是如何工作的？它是通过传递温和的电信号来工作的，这种信号可以改变细菌膜上的电位。当细菌膜电位发生变化时，它实际上会改变细菌的行为，但不会杀死它们。这是最吸引人的部分。当膜电位发生变化时，它会降低细菌造成伤害的能力，

并基本上降低它们的毒性。但为什么不直接杀死它们呢？所以我们通常认为我们只是直接杀死细菌。这可能是简单的解决方案。答案在于理解细菌不仅仅是入侵者，它们实际上是我们身体复杂微生物生态系统的一个组成部分。所以关于细菌是这样的：它们并不都是坏的。当然，有些是麻烦制造者，会导致感染并让我们生病。但是其他的呢？

好吧，它们基本上在你的身体中运行着重要的系统，从消化到免疫。想想大肠杆菌。所以大肠杆菌是主要的细菌物种之一，它们可能是好的。它们可以引起感染，但它们也可能真的很好。它们可能是坏的，会引起感染，但它们也可能真的很好。这就是抗生素的问题所在。它们并不总是关心哪个是哪个。它们只是把它们全部消灭了。

但是贴片，嗯，它更具针对性，更精确。我们只是使用温和的电刺激来抑制细菌，而不是杀死它们，因为我前面提到过细菌可能是好的，也可能是坏的。我们希望实现的是抑制它们的危害性，但利用它们的益处，例如用于治疗。所以在目前的情况下，如果有人割伤了

伤口感染了，你就会使用你的贴片，而不是使用青霉素或任何其他抗生素来治疗它。将来，

患者完全有可能使用这些贴片的先进版本来治疗日常擦伤或割伤。我认为这完全有可能。想象一下，这种绷带不仅可以保护伤口，还可以加速伤口愈合并防止感染，其中嵌入了生物电子技术。好的，哇。好的。和

如果你考虑治疗一些感染，想法是，你知道，10 天或更短的时间内你就可以治疗感染。在这个系统下，需要多长时间才能治疗？在我们发表的研究中，我们发现仅仅几个小时的电刺激就足够了。我的天哪。是的。抑制生物膜生长。如果我们再往前想一想，

并且正在采用这项技术，并且我们正在考虑，好吧，这可以去哪里？其他疾病，即癌症，可以用这种方法治疗吗？好吧，我相信是这样。类似的生物电子原理或生物电设备设计

可以破坏癌细胞的生长或增强疗法向肿瘤部位的输送。除了这种癌症疗法之外，我相信对于某些自身免疫性疾病，这种设备也可以使用，因为电融合可以适应于调节过度活跃的免疫反应。这可能为诸如狼疮之类的自身免疫性疾病提供新的治疗方法。

如果我预测我们在 5 年或 10 年后可以取得什么成就，我会说那时它可能会成为一种产品，因为整个过程不涉及化学物质，也不涉及基因改造。就 FDA 批准而言，它会更快。将生物电子学应用于我们的皮肤是一回事。

但是如果我们可以将这些电子产品与活体材料融合在一起，以便它们可以放置在我们身体更深处，甚至进入我们的细胞，以便它们可以改写我们身体运作的代码呢？活体生物电子学，好吧，那是休息之后的事。如果你从《Big Brains》上分享的重要研究中获得了许多收获，那么你应该查看另一个芝加哥大学播客网络节目。它被称为《Entitled》，它与人权有关。

由律师和芝加哥大学法学院教授克劳迪娅·弗洛雷斯和汤姆·金斯伯格共同主持。《Entitled》探讨了权利为何重要以及权利出了什么问题的故事。

田的实验室的主要重点之一是开发所谓的活体生物电子学：将活细胞整合到其系统中的设备，使它们能够适应并与你的身体同步。所以在之前的讨论中，我提到生物电子学实际上可以抑制细菌。所以我们不希望细菌生长。但在这种情况下，我们实际上想利用细菌的有益方面。

如果我们知道如何抑制有害方面。所以基本上，活体生物电子学可以将活细菌或其他活哺乳动物细胞整合到生物电子设备中，这可以创造出既具有创新性又具有功能性的生物学和技术的融合。想象一下交响乐，对吧？每种微生物都在控制炎症、愈合伤口甚至调节免疫系统方面发挥作用。

现在我们也可以将所有这些生物功能整合到电子系统中。我可以进一步说，谈谈原型以及它是什么以及它实际上是如何工作的吗？对。去年，我们在《科学》杂志上发表了一篇论文，这项工作由我非常有才华的前研究生乔·林施博士领导。他现在是斯坦福大学的博士后。在那项工作中，我们证明我们可以拥有一个可行且灵活的设备

通过光子学，可用于治疗牛皮癣。牛皮癣是一种慢性自身免疫性疾病，主要影响皮肤，导致皮肤发炎、发红并覆盖着银色鳞屑。我们在那项工作中所做的是将细菌作为表皮。

与一些电子传感器和刺激器一起整合到一些水凝胶中。所以发生的事情是，这些细菌不仅仅是被动成分，它们还积极地与皮肤的免疫系统相互作用，以调节炎症并促进再生。因此，通过这种方法，细菌可以感知并响应局部炎症，然后精确地将治疗效果传递到最需要的地方。

所以我认为这个设备真正令人兴奋的部分是，它们不仅用于治疗症状，它们实际上与身体的自然系统和谐地工作，以增强它们治愈和适应的能力。我认为这只是我们在活体生物电子学方面努力的第一步，我们实验室也有一些正在进行的工作。活体生物电子学可以远远超出仅仅愈合伤口。

这些纳米级工具可以直接潜入你的细胞，传递可以微调你身体生物电代码的信号，以再生组织、捕捉疾病的早期迹象，甚至设计细胞以创造全新的疗法。

我们还设计了一些纳米级工具。它们非常小，实际上可以进入细胞，靶向特定的细胞器。或者它们很小，它们只能向我们称为亚细胞成分的细胞的一部分传递信号。因此，这些工具使我们能够以令人难以置信的精度观察和控制细胞内部或细胞一部分正在发生的事情。因此，我们的设备使用活细胞

直接与身体的生物电信号相互作用。这可以放大或修改这些信号，以指导诸如组织再生或愈合之类的过程。这种生物混合方法可以通过利用细胞固有的生物电语言来引入新的再生能力

这也可以让我们利用身体自然的愈合和生长机制。它可以直接将药物输送到单个细胞的正确部位，或者捕捉像癌症这样的疾病的早期迹象，甚至设计细胞以产生治疗性分子。当涉及到糖尿病等慢性疾病时，这可能是一个改变游戏规则的东西。

想象一下，一种由活细胞驱动的设备，可以感知你的血糖水平并在你需要的时候释放胰岛素。无需针头，无需持续监测。基本的想法是，一些活细胞实际上可以感知血糖水平并相应地释放胰岛素。在我们的身体中，那就是胰腺β细胞。所以我们希望实现的是将

这些细胞或工程活细胞整合到生物电子设备中，以便它们可以感知我们体内的血糖水平，相应地释放胰岛素，然后可以潜在地为糖尿病患者

提供无缝且生物整合的解决方案。这还可以消除持续监测或注射的需要。我想象你会看到人们排队等候。是的。所以这是我们真正希望实现的目标。

而且我们可能在未来几年内就能做到这一点。甚至到了你考虑可食用类型的材料实际上可以参与帮助调节肠道微生物组的程度。是这样吗？是的，没错。我们所做的是创造合成材料

可以帮助肠道微生物组。这种可食用材料还含有纳米级矿物颗粒。因此，当它们被输送到胃肠道并最终进入肠道时，它们会与肠道微生物组相互作用。我们发现它们可以恢复肠道在炎症性肠病等疾病中的平衡，

并且可以精确地将生物制剂或其他疗法输送到需要的地方。但这并没有就此结束。这些微小的生物电子学不仅仅适用于你的肠道或你的身体。它们甚至可能用于你的大脑。

是的，绝对的。我们一直在研究针对神经应用而定制的生物电子学。例如，我们已经开发出将精确的光刺激传递到某些神经组织的技术，这些神经组织可以是大脑组织或一些周围神经组织。想象一下，那些设备不仅可以恢复丧失的功能，还可以增强它。

例如，通过可以改善记忆力、优化神经交流或作为与大脑无缝集成的外部数据存储系统的电子系统。让我们想象一下，一种可以让某人看到红外线或看到超出人类听力范围的频率的设备。这些事情实际上完全有可能。

如果我们有一些正确的信号传感器。因此，我们可以通过这样做来解锁全新的感官体验。但这还不止于此。生物电子系统还可以通过轻轻调节控制情绪或焦虑的神经回路来调节情绪。

但是你可能想知道，我们皮肤下的这些电子设备是如何供电的？田的实验室想出了真正巧妙的东西：光电药物。这是一种花哨的说法，意思是他们使用光。

通过使用特定波长的光，我们可以开发一种能够精确调节神经元甚至控制跳动心脏节奏的工具。这种方法不需要非常侵入性的手术或直接的电接触。它还允许对细胞和组织进行非常精确的靶向，而不会影响周围区域。所以我们相信这项技术开启了

治疗癫痫等疾病（其中精确的神经控制实际上至关重要）或心律失常治疗（其中心脏节律的微调可以挽救生命）的令人兴奋的新途径。就像起搏器一样。没错。所以起搏器，它们传统上又大又硬，它们可以向心脏提供一些电刺激，以便心脏可以以与电刺激相同的频率跳动。

这是传统的设计。在我的实验室里，我会说我们设计了一种新型起搏器，它不是由直接电刺激驱动的，而是由光刺激驱动的。我实际上对光刺激、光策略、光刺激印象深刻，而不是电刺激。但机制并不难理解。想想太阳能电池板。

我们照射太阳能电池板，太阳能电池板可以将光能转化为电能。我们使用转换后的电力来刺激心脏组织。

所以基本上我们需要使用一个传感器，在我们的例子中，它是一个非常薄的硅基膜，它是光学心脏起搏器。所以我们向这种柔性膜照射光线，它可以转换成一些电脉冲，以较不侵入性的方式刺激心脏。这些必须植入，但在生命周期结束时也必须移除。

但这对于你谈论的一些设备来说并非如此。是的，绝对的。所以这个起搏器的关键特征是它能够随着时间的推移安全地溶解在体内。与需要手术移除的传统设备不同，光电起搏器在完成其功能后实际上会自然降解。因此，这种方法最大限度地降低了

并发症的风险，并减轻了患者的负担，特别是那些手术选择有限的患者。这是

你认为在我们有生之年具有商业可行性的东西吗？是的，绝对的。我们实际上正在创办一家初创公司。我们仍在努力实现这一目标。我们的目标是在大约 5 年到 10 年内，这种光学心脏起搏器可以用于患者。哇，我的天哪。

当你开始经历所有这些事情时，这正是在人们收听并说，好吧，这很有趣，但我们应该做这些事情吗？是否存在需要考虑的伦理问题？如果是这样，在哪里？

我敢打赌，人们会认为，好吧，这很酷。以这种方式干预和治疗感染似乎是一种非常有说服力的方法。但是当你开始谈论增强人类能力时，这可能会引发一系列不同的问题。你和你的实验室成员是如何思考这些问题的？是的，绝对的。我喜欢这个问题。

伦理问题当然是我们所做一切的核心。当你从事可能从根本上改变我们与生物学互动方式的技术时，你必须问一些关于其影响的棘手问题。对我们来说，这关乎确保这些工具用于改善健康和生活质量，而不是用于控制或剥削。

因此，滥用的可能性实际上是真实的，特别是对于能够精确控制生物系统的技术而言。例如，较新的设备可以增强认知能力，

但它们也引发了关于监控和强制的问题。因此，为了解决这个问题，我们应该与伦理学家、政策制定者以及一些利益相关者密切合作，以考虑这些风险并在我们技术的设想中建立保障措施。当你开始坐下来开始思考你希望在这个工作期间取得什么成就，以及

你期望我们在未来 10 年或更长时间内处于什么位置，这正在塑造你的愿景？生物电子学有可能远远超出人体。它们可以编织到艺术、建筑甚至环境保护的结构中。让我们想象一下，一座用生物电子系统呼吸的建筑，它利用受人体生理学启发的原理来调节其内部气候。

或者想象一下，生物电子艺术装置与周围环境动态互动，对光、声音甚至观看它们的人做出反应。因此，这些技术也可以在可持续性方面发挥重要作用。想想可以监测生态系统、

减轻污染或利用生物过程中的能量来为清洁技术供电的生物电子设备。自从我加入芝加哥大学以来，我的实验室一直在研究生物电子学，已经有 12 年多了。现在我实际上正在探索生物学和材料科学更广泛的交叉领域。

我相信增长真正发生在我们舒适区之外。因此，我很渴望进入能够突破可能性的界限的新领域。《Big Brains》是芝加哥大学播客网络的制作。我们由格雷厄姆学院赞助。你是一个终身学习者，拥有永不满足的好奇心吗？每个季度都可以访问 50 多门开放注册课程。了解更多信息，请访问graham.uchicago.edu/bigbrains。

如果你喜欢你在我们的播客中听到的内容，请给我们留下评分和评论。该节目由保罗·M·兰德主持，由利亚·塞萨琳和我马特·霍达普制作。感谢收听。