电子技术帮助脑部治疗探索全新领域

2020-07-25 959浏览 52评论 84赞
电子技术帮助脑部治疗探索全新领域

在德州大学达拉斯分校的部分实验室中,Robert Rennaker 博士所提出的「定向可塑」脑部康复研究正处于技术与现代医学的最前沿。

做为德州仪器(TI )在德州大学达拉斯分校的着名生物工程主席,Robert 解释,当一个人中风后,他的大脑会出现缺氧的情况,进而导致脑组织死亡。虽然大脑会尝试重组,不过在大多数情况下,这种巨大的损伤将带来致命的伤害。

透过使用生物电子药物,Robert 和他的团队希望帮助大脑进行重组,以控制这种生理反应。

人体的应急反应会在人类面临危险时触发。此时,人的心跳加速,血压上升,而分泌的肾上腺素将帮助人类反击或逃跑。在所有这些生理反应出现的同时,位于颈部的迷走神经也会被触发,并在大脑内释放少量被称为神经调质、能够加强学习记忆的费洛蒙。这也是为什幺反击或逃跑反应会被立即记住,并且永远都不会遗忘的原因。这个生物现像是 Robert 突破性定向可塑工作的基础,主要为了帮助中风和其他严重脑损伤的患者。

「定向可塑性并不会让病人受到惊吓或是带来痛苦,我们利用生物电子药物来刺激迷走神经释放同样的化学物质,以帮助大脑在单次试验学习中获取快速认知事物的能力。」达拉斯 Erik Jonsson 工程与电脑科学学院系主任兼德州生物医学设备中心主任的 Robert 表示。

整个项目概念都围绕着如何使迷走神经的刺激与疗法相匹配。例如,如果一名患者因中风引发足下垂,一般情况下,病患无法再将脚趾抬起,如果病人因为足下垂在行走过程中绊倒,将带来非常严重的后果。 Rennaker 博士的团队希望让病人尝试着抬起他们的脚趾,当脚趾产生运动时,他们就会刺激迷走神经。经过一段时间后,对于迷走神经的刺激和脚趾的运动会加强大脑与肌肉之间的联繫,从而使病人能够将脚趾抬得越来越高。

在未来 18 到 24 个月内将要开始的临床实验中,Robert 的团队将会把一个做为刺激器的小设备植入到迷走神经中。这个器件与病人身上所佩戴的控制器相连接,另一方面,採用 TI SimpleLink 多标準 CC2650  无线微控制器(MCU) 的小型传感器设备也会被安置在病人的脚上。当脚趾抬起距离地面特定高度时,病人脚上的器件会透过 TI 的 Bluetooth 低功耗软体应用将这个数据发送至智慧手机,以此发出指令让控制器刺激迷走神经。这强化了那些控制脚部肌肉的脑细胞,从而将脚趾恢复到病人能够任意活动的位置。

「病人可以全天随意行走,并且透过採用 TI 器件的 TI Bluetooth 应用程式进行治疗,」Robert 说,「病人拥有的是一个完整的技术系统,能够允许他们进行一些有趣且独特的活动,同时还能有助于康复。」

Robert 表示,他之所以选择 TI CC2650 无线 MCU 以及其随附的软体是因为它功耗低、易于使用且具有较高的成本效率。通常这种类型的传统刺激器系统的成本会在 30,000 美元以上,而这款採用TI技术的系统将单个系统的成本减少至 1,000 到 2,000 美元,Robert 认为这是改变行业未来的一个应用。

CC2650 无线 MCU 功耗极低,能够允许整个系统由小型钮扣电池供电运行很长时间。它的小尺寸也使其成为诸如此类可穿戴设备的理想选择。

「对于这样一个应用,我感到非常激动,」TI 无线连接业务总经理 Amit Hammer 说,「我们在近期帮助客户开发了诸如门锁、烟雾侦测器、定位器和智慧信用卡等器件。而这个应用展现了低功耗无线技术如何在治疗以及提升人类生活质量等方面产生巨大影响。」

引起医疗领域关注

这项研究吸引了医疗领域内某些「大咖」的注意。例如德州大学西南医疗中心神经外科系的教授和系主任 Hunt Batjer 医生,此外,Hunt Batjer 医生还是全美橄榄球联赛和颈部与脊椎委员会的联合主席,同时也是全美神经外科医师协会的主席。

「在医疗领域,针对中风、脑出血和脑损伤的初期治疗中,我们正在进行一项非常出色的工作。我们拥有能够帮助病人度过急性发病期同时增加存活机率的工具,」Batjer 医生说, 「不过,我们在恢复已丧失身体机能方面还不太擅长。我一直对脑部区域的重塑十分感兴趣,并且研究了很多年,而 Rennaker 博士的工作引起了我的注意。」

Batjer 医生解释,要在任何一个特定领域内成为专家,至少需要大约 10, 000 小时的练习与实践,无论是演奏乐器或是编写代码均是如此。按照他的说法,这 10,000 小时的指导性排练与预演能够真正的重组脑部区域,并且远远超过那些对于思惟的「训练」。

Batjer 医生相信 Rennaker 博士的工作会帮助某些人重新掌握一项任务,例如透过将定向可塑与标準脑部训练游戏相结合来增加年老病人的记忆力,其使用的时间将远少于 10, 000 小时。

「当遇到受伤人员,特别是中风的病人时,由于这些病人上了年纪,他们并没有时间进行 10,000 小时的辅导训练,这就使我们陷入了进退两难的境地,」Batjer 医生说,「Rennaker 博士实验室中接受迷走神经刺激进行康复的囓齿动物,的确实现了我们透过 10,000 小时练习所希望能达到的效果,但是所花费的时间要少得多,同时它使得大脑能够完全修复。在没有迷走神经刺激的传统康复中,试验中的动物会恢复到一定的程度,然后进入一个瓶颈期,这一点与人类很相似。」

解决创伤后心理压力紧张症候群

这项研究还引起了美国国防高级研究计画局(DARPA)的注意。从它们的网站上可以了解到,DARPA 的工作重点是「对涉及国家安全的突破性技术进行关键性投入」。 DARPA 对 Robert 的工作给予了资金支持,因为他的研究有可能帮助解决创伤后心理压力紧张症候群(PTSD)所带来的影响。

可塑性是随着人类的学习,使大脑中的神经连接得以强化的过程。触发可塑性来促进学习或反学习,有可能为例如 PTSD 等疾病带来全新的疗法,PTSD 的患者已经学会在特定环境或背景下变得恐惧或焦虑。 Rennaker 博士的团队将深入研究刺激是否能够提高习得的行为反应,以减少在创伤暗示出现时产生的恐惧与焦虑。

虽然现在判断同样的研究是否也能够帮助那些遭受战场创伤性脑损伤的军人还为时尚早,不过 DARPA 的资金支持将让 Robert 的团队能够在他们合同範围内寻找这些全新方法与途径。

相较于任何其他与研究项目有关的财政支持,DARPA 的资金支持对于 Robert 更有意义。 Robert 在20 世纪 90 年代曾是一名美国海军陆战队员在冲突地区服役。他亲眼目睹了与他并肩作战的战友由于 PTSD 和脑损伤而永远地改变了人生。事实上,这一切也是他所有研究的灵感源泉。

「如果军人们脑损伤的位置使他们无法控制四肢或是需要坐在轮椅里,在最初康复训练的 12 个月后,现代医学已经起不到什幺大作用了。而对于我来说,这是无法接受的,」Robert 说,「身为一名海军陆战队员,我的志向和生活目标就是帮助这些军人们恢复已经丧失的身体机能。我认为我们已经找到了这个工具,它将帮助我实现人生目标,也将帮助这些军人从伤病的折磨中走出来。」

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