超薄腦部植入裝置--檢測(cè)癲癇發(fā)作

一種新型植入裝置超薄超柔韌，并且設(shè)置有傳感器，它可以記錄癲癇發(fā)作中大腦突發(fā)的強(qiáng)烈腦電活動(dòng)，分辨精度是先前所能達(dá)到的近50倍。這樣的細(xì)致程度會(huì)變革癲癇治療方法，讓人們用低侵入性手段就能檢測(cè)和治療癲癇。它還可以讓人們擁有前所未有的能力，對(duì)大腦功能和腦機(jī)接口效果有更深的理解。

就那些對(duì)藥物治療沒有反應(yīng)的癲癇患者來說，神經(jīng)學(xué)家通常會(huì)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(shù)移除。因而，醫(yī)生會(huì)移開一部分頭骨，將一個(gè)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(xué)(University of Pennsylvania)的一位癲癇病專家、生物工程學(xué)家布萊恩·里特(Brian Litt)說：“自從20世紀(jì)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(lǐng)銜這項(xiàng)新研究的科學(xué)家之一。因?yàn)檫@些裝置必須要給每個(gè)電極配置電線，所以留下的空間只夠容納不到100個(gè)電極，而且產(chǎn)生的腦電活動(dòng)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(jī)里懸吊下僅僅一支麥克風(fēng)，然后試圖去將音量放大聽明白某個(gè)人群在討論些什么事情。”

目前的技術(shù)停滯不前，只能制作每平方厘米大約8個(gè)傳感器的傳感器陣列;而里特與伊利諾伊大學(xué)厄巴納香檳分校(University of Illinois Urbana-Champaign)的一位材料科學(xué)及工程學(xué)教授約翰·羅杰士(John Rogers)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(gè)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(jìn)入陣列本身，大幅降低了配線數(shù)量。

里特說：“這種新型裝置更像是360支麥克風(fēng)組成的陣列，從直升機(jī)上懸吊下來更接近地面，可以對(duì)更小的區(qū)域進(jìn)行音量放大而記錄：街角的幾個(gè)人在說些什么，郵箱旁邊的幾個(gè)人又在說些什么。這項(xiàng)新技術(shù)會(huì)是理解大腦功能網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，甚至還會(huì)是治療并可能治愈某些疾病的關(guān)鍵。”

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(duì)該裝置進(jìn)行了首次試驗(yàn)。維溫迪現(xiàn)在是紐約大學(xué)的助理教授，研究轉(zhuǎn)化神經(jīng)工程學(xué)。他們觀察到一些引人注目的現(xiàn)象：一股強(qiáng)烈的腦電活動(dòng)，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(dòng)(ventricular fibrillation)時(shí)心肌中觀察到的模式極其相似，而心室纖維性顫動(dòng)會(huì)危及生命。

里特說，人們傳統(tǒng)上認(rèn)為，大腦的很大一部分區(qū)域都是癲癇發(fā)作的原由。其實(shí)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(jīng)科學(xué)》(Nature Neuroscience)上。

失控：正如該新款電極密集型植入裝置所檢測(cè)到的，癲癇發(fā)作的貓表現(xiàn)出一種前所未見的螺旋波狀腦電活動(dòng)(如上圖所示)。來源： 《自然神經(jīng)科學(xué)》

紐約州奧爾巴尼市(Albany)瓦茲沃斯中心(Wadsworth Center)的一位腦機(jī)接口研究員格文·沙爾克(Gerwin Schalk)說：“這真是了不起，我被這項(xiàng)技術(shù)成就以及那些強(qiáng)有力的重要實(shí)驗(yàn)結(jié)果給震驚了。對(duì)于基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)和轉(zhuǎn)化型研究來說，它將發(fā)揮巨大價(jià)值。” 沙爾克指出，如果該技術(shù)證明在人類中也適用，那么它會(huì)為各類研究——從診斷學(xué)到腦機(jī)接口裝置——打開一扇大門，大量機(jī)遇會(huì)隨之而來。

該裝置還可以讓人們進(jìn)行低侵入性試驗(yàn)和治療。里特說，人們不用再大面積切開頭骨去放置監(jiān)測(cè)裝置，因?yàn)樵撔滦椭踩胙b置讓外科醫(yī)生只需在頭骨上鉆一個(gè)小孔，然后通過小孔將纖細(xì)的卷狀傳感器陣列滑入頭骨內(nèi)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(shí)保持皮層其余區(qū)域完好。

當(dāng)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(kuò)大，達(dá)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(kuò)大，并做量產(chǎn)準(zhǔn)備。

里特和羅杰士現(xiàn)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(cè)癲癇發(fā)作癥狀，還可以快速進(jìn)行電刺激來平息癲癇發(fā)作，那么這項(xiàng)研究的臨床意義就非常巨大。羅杰士說：“這不僅僅是一個(gè)研究工具。它在臨床環(huán)境下還有著明確的應(yīng)用方式。這是一款功能無與倫比的生物整合型電子器件，實(shí)踐一下就知效果如何。”