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科学家开发电子技术治疗脑病

2018-06-07 12:37:51

科学家开发电子技术治疗脑病

去年秋天,美国国防部先进研究项目局(DARPA)掌管生物科技研究的高级官员Geoffrey Ling为神经科学家带来了具有挑战性的项目:开发一款可植入设备以修复老兵因外伤性脑损伤而受损的记忆。项目资金共有4000万美元,Ling说:“我们有充足的资金,有那位勇士愿意接受挑战?”

近日,DARPA宣布有两个学术小组愿意为此展开研究,一个小组来自加州大学洛杉矶分校(UCLA),另一个小组来自宾夕法尼亚大学(Penn)。两个小组都想通过电刺激的方法“点亮”与大脑记忆密切相关的区域。美国能源部下属的劳伦斯利福摩尔国家实验室以及设备制造商美敦力公司也会加入到研究中,专门负责研制比现有的神经刺激器微小10倍以上的刺激器。尽管研究的规模不小——UCLA得到了1500万美元的资金用于开展为期4年的研究,而Penn则获得了2250万美元的资金同样开展为期4年的研究,但一些人对项目的前景持怀疑态度。凯斯勒基金会神经心理学家James Sumowski说:“科学地讲,DARPA选择进行研究的时机有点早。”

两个研究小组都以癫痫患者的神经活动为研究起点,这些患者都接受过大脑修复手术。神经科学家Michael Kahana是Penn小组的,他说,对于其中一些患者,研究者必须为他们的大脑覆盖上数百个电极,并等待数周直到患者再次发病,之后才能决定从那个大脑区域下手进行治疗。通过这种方法,研究者能够精确地绘制一张大脑活动图,了解与记忆储存和修复相关的电生理学知识。电子记录还能帮助研究者对记忆缺陷有更深刻的了解

科学家开发电子技术治疗脑病

,许多癫痫患者都饱受记忆缺陷之苦。

Kahana希望通过研究正常大脑和受损大脑的电子生物标记的检索和储存方式,建立电脑模型。一旦患者的记忆出现紊乱,电脑模型便能够迅速侦测并立刻给予修复。Kahana的团队已经侦测到了与记忆编码和储存相关的大脑活动信号模式,他们马上还将发布份与修复记忆相关的大脑信号。他说:“早期的研究结果令人非常振奋。”

UCLA团队由神经外科医生Itzhak Fried领导,他们将用不同的方法开发记忆生成模型。Fried早期的工作是治疗癫痫症患者,他发现对患者大脑内嗅皮层给予电刺激能够提高其玩电脑游戏的水平。在游戏中他们扮演出租车司机,需要迅速学习并记忆在虚拟城市中把车停在那些位置让乘客下车。现在,Fried将把这份研究获得的数据应用于设计如何刺激外伤性脑损伤患者的内嗅皮层和海马体(另一块对记忆起到关键作用的区域),并让两块区域协同工作,帮助患者将日常生活经验转化成为长期记忆。

如果这些尝试获得成功,研究者终将有望开展期临床实验,为外伤性脑损伤患者植入大脑深层电刺激设备。但Sumowski指出,研究者可以将癫痫症作为一个范本来推进研究,但如果过度依赖这一模式将会为研究带来问题。外伤性脑损伤患者并不总是与精神失调患者的表现相一致,癫痫患者的大脑萎缩区域及脑电活动失调模式与前者是完全不同的精神失调情况。

麻省理工学院神经科学家Roger Redondo认为,项目能否成功还极大依赖于患者的大脑受到了什么样的损伤。如果记忆还在,只是很难接通或检索,那么电刺激是有效的办法。但如果记忆的连接从未建立或者已经彻底损坏,那么植入装置起不了任何作用。

Redondo认为,很难确定那些细胞与记忆相关,而要利用电刺激进行精确调试以帮助修复受损记忆更是难上加难。Redondo说:“人类大脑和海马体的结构非常复杂,微电极电压的些许改变,即使受影响的区域极小,也将造成数倍的神经元失控。”

不过,研究者针对精神失调症状如帕金森氏症和强迫性精神障碍进行了研究,其结果令Kahana备受鼓舞。研究表明,电刺激能够有效治疗这些疾病,即便研究者还未充分理解电刺激如何在细胞层次改变大脑回路。癫痫患者记忆的生物标记将作为一座灯塔指引受损的大脑重新恢复正常。

DARPA所属的修复主动记忆项目(RAM)负责人Justin Sanchez说,RAM面临的挑战非常大。RAM是由美国政府斥资1.1亿美元设立的使用先进革新型神经技术的人脑研究(BRAIN)计划的一部分。美国现在有27万从伊拉克和阿富汗战场归来的士兵被诊断为患有外伤性脑损伤,迫切需要一场科学进步和技术革新帮助他们渡过难关。Sanchez说:“相对于现有的治疗技术,我们的研究是一种开创性的新方法。”

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