一種新型植入裝置超薄超柔韌,并且設置有傳感器,它可以記錄癲癇發(fā)作中大腦突發(fā)的強烈腦電活動,分辨精度是先前所能達到的近50倍。這樣的細致程度會變革癲癇治療方法,讓人們用低侵入性手段就能檢測和治療癲癇。它還可以讓人們擁有前所未有的能力,對大腦功能和腦機接口效果有更深的理解。
就那些對藥物治療沒有反應的癲癇患者來說,神經學家通常會嘗試尋找定位大腦中癲癇發(fā)作的原發(fā)區(qū)域,這樣他們就可以把該區(qū)域手術移除。因而,醫(yī)生會移開一部分頭骨,將一個大體積的傳感器陣列安置在患者額葉皮層的表面。
賓夕法尼亞大學(University of Pennsylvania)的一位癲癇病專家、生物工程學家布萊恩·里特(BrianLitt)說:“自從20世紀50年代或60年代開始,這些臨床裝置就沒有過太多改變。”里特是領銜這項新研究的科學家之一。因為這些裝置必須要給每個電極配置電線,所以留下的空間只夠容納不到100個電極,而且產生的腦電活動照片分辨率也很低。里特說:“這就好像,在曼哈頓上空從一架直升機里懸吊下僅僅一支麥克風,然后試圖去將音量放大聽明白某個人群在討論些什么事情?!?BR>
目前的技術停滯不前,只能制作每平方厘米大約8個傳感器的傳感器陣列;而里特與伊利諾伊大學厄巴納香檳分校(University ofIllinois Urbana-Champaign)的一位材料科學及工程學教授約翰·羅杰士(JohnRogers)合作,研發(fā)出一種新型陣列。該陣列可以在同樣大小的空間里容納360個傳感器。為了創(chuàng)造一種密集容納傳感器的小巧裝置,羅杰士將電子元件和硅晶體管整合進入陣列本身,大幅降低了配線數量。
里特說:“這種新型裝置更像是360支麥克風組成的陣列,從直升機上懸吊下來更接近地面,可以對更小的區(qū)域進行音量放大而記錄:街角的幾個人在說些什么,郵箱旁邊的幾個人又在說些什么。這項新技術會是理解大腦功能網絡的關鍵,甚至還會是治療并可能治愈某些疾病的關鍵?!?BR>
里特、羅杰士和研究生喬納森·維溫迪(Jonathan Viventi)在一只癲癇貓中對該裝置進行了首次試驗。維溫迪現在是紐約大學的助理教授,研究轉化神經工程學。他們觀察到一些引人注目的現象:一股強烈的腦電活動,看起來就像是自傳播的螺旋波。這種模式只在分辨率極高的記錄條件下才可以清楚看到,它與在心室纖維性顫動(ventricularfibrillation)時心肌中觀察到的模式極其相似,而心室纖維性顫動會危及生命。
里特說,人們傳統上認為,大腦的很大一部分區(qū)域都是癲癇發(fā)作的原由。其實并非如此,癲癇發(fā)作似乎源自于面積十分小的大腦區(qū)域組成的集群,或者說皮層中的“微區(qū)”。該研究最近在線發(fā)表在《自然神經科學》(NatureNeuroscience)上。
失控:正如該新款電極密集型植入裝置所檢測到的,癲癇發(fā)作的貓表現出一種前所未見的螺旋波狀腦電活動(如上圖所示)。
紐約州奧爾巴尼市(Albany)瓦茲沃斯中心(Wadsworth Center)的一位腦機接口研究員格文·沙爾克(GerwinSchalk)說:“這真是了不起,我被這項技術成就以及那些強有力的重要實驗結果給震驚了。對于基礎神經科學和轉化型研究來說,它將發(fā)揮巨大價值。”沙爾克指出,如果該技術證明在人類中也適用,那么它會為各類研究——從診斷學到腦機接口裝置——打開一扇大門,大量機遇會隨之而來。
該裝置還可以讓人們進行低侵入性試驗和治療。里特說,人們不用再大面積切開頭骨去放置監(jiān)測裝置,因為該新型植入裝置讓外科醫(yī)生只需在頭骨上鉆一個小孔,然后通過小孔將纖細的卷狀傳感器陣列滑入頭骨內部,接著再將其在大腦表面展開。并且,人們可能不用再移除高爾夫球大小的大腦區(qū)域,而是只需要移除那些微區(qū),同時保持皮層其余區(qū)域完好。
當下研究中使用的裝置為1平方厘米大小,要是用于人類,研究人員需要將其擴大,達到大約8平方厘米大小。一家名為MC10的新創(chuàng)公司將致力于將其擴大,并做量產準備。
里特和羅杰士現正在努力研發(fā)一種帶有刺激器的植入裝置,嵌入在那些傳感器旁邊。如果他們能夠研發(fā)出一種裝置,不僅可以檢測癲癇發(fā)作癥狀,還可以快速進行電刺激來平息癲癇發(fā)作,那么這項研究的臨床意義就非常巨大。羅杰士說:“這不僅僅是一個研究工具。它在臨床環(huán)境下還有著明確的應用方式。這是一款功能無與倫比的生物整合型電子器件,實踐一下就知效果如何?!?