電子技術(shù)幫助腦部治療探索全新領(lǐng)域

　　在德州大學(xué)達(dá)拉斯分校的部分實(shí)驗(yàn)室中，Robert Rennaker博士所提出的“定向可塑”腦部康復(fù)研究正處于技術(shù)與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的最前沿。

　　作為TI在德州大學(xué)達(dá)拉斯分校的著名生物工程主席，Robert解釋道，當(dāng)一個(gè)人中風(fēng)后，他的大腦會(huì)出現(xiàn)缺氧的情況，從而導(dǎo)致腦組織死亡。雖然大腦會(huì)嘗試重組，不過在大多數(shù)情況下，這種巨大的損傷將帶來(lái)致命的傷害。

　　通過使用生物電子藥物，Robert和他的團(tuán)隊(duì)希望幫助大腦進(jìn)行重組，以控制這種生理反應(yīng)。

　　人體的應(yīng)急反應(yīng)會(huì)在人類面臨危險(xiǎn)時(shí)觸發(fā)。此時(shí)，人的心跳加速，血壓上升，而分泌的腎上腺素將幫助人類反擊或逃跑。在所有這些生理反應(yīng)出現(xiàn)的同時(shí)，位于頸部的迷走神經(jīng)也會(huì)被激活，并在大腦內(nèi)釋放少量被稱為神經(jīng)調(diào)質(zhì)、能夠加強(qiáng)學(xué)習(xí)記憶的信息素。這也是為什么反擊或逃跑反應(yīng)會(huì)被立即記住，并且永遠(yuǎn)都不會(huì)遺忘的原因。這個(gè)生物現(xiàn)象是Robert突破性定向可塑工作的基礎(chǔ)，主要為了幫助中風(fēng)和其他嚴(yán)重腦損傷的患者。

　　“定向可塑性并不會(huì)讓病人受到驚嚇或是帶來(lái)痛苦，我們利用生物電子藥物來(lái)刺激迷走神經(jīng)釋放同樣的化學(xué)物質(zhì)，以幫助大腦在單次試驗(yàn)學(xué)習(xí)中獲取快速認(rèn)知事物的能力。”達(dá)拉斯Erik Jonsson工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院系主任兼德州生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中心主任的Robert表示。

　　腳踏實(shí)地

　　整個(gè)項(xiàng)目概念都圍繞著如何使迷走神經(jīng)的刺激與療法相匹配。例如，如果一名患者因中風(fēng)引發(fā)足下垂，一般情況下，病患無(wú)法再將腳趾抬起，如果病人因?yàn)樽阆麓乖谛凶哌^程中絆倒，將帶來(lái)非常嚴(yán)重的后果。Rennaker博士的團(tuán)隊(duì)希望讓病人嘗試著抬起他們的腳趾，當(dāng)腳趾產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，他們就會(huì)刺激迷走神經(jīng)。經(jīng)過一段時(shí)間后，對(duì)于迷走神經(jīng)的刺激和腳趾的運(yùn)動(dòng)會(huì)加強(qiáng)大腦與肌肉之間的聯(lián)系，從而使病人能夠?qū)⒛_趾抬得越來(lái)越高。

　　在未來(lái)18到24個(gè)月內(nèi)將要開始的臨床實(shí)驗(yàn)中，Robert的團(tuán)隊(duì)將會(huì)把一個(gè)作為刺激器的小設(shè)備植入到迷走神經(jīng)中。這個(gè)器件與病人身上所佩戴的控制器相連接，另一方面，采用TI SimpleLink多標(biāo)準(zhǔn)CC2650無(wú)線微控制器(MCU) 的小型傳感器設(shè)備也會(huì)被安置在病人的腳上。當(dāng)腳趾抬起距離地面特定高度時(shí)，病人腳上的器件會(huì)通過TI的Bluetooth® 低功耗軟件應(yīng)用將這個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送至智能手機(jī)，以此發(fā)出指令讓控制器刺激迷走神經(jīng)。這強(qiáng)化了那些控制腳部肌肉的腦細(xì)胞，從而將腳趾恢復(fù)到病人能夠任意活動(dòng)的位置。

　　“病人可以全天隨意行走，并且通過采用TI器件的TI Bluetooth應(yīng)用程序進(jìn)行治療，”Robert說道，“病人擁有的是一個(gè)完整的技術(shù)系統(tǒng)，能夠允許他們進(jìn)行一些有趣且獨(dú)特的活動(dòng)，同時(shí)還能有助于康復(fù)。”

　　Robert表示，他之所以選擇TI CC2650無(wú)線MCU以及其隨附的軟件是因?yàn)樗牡?、易于使用且具有較高的成本效率。通常這種類型的傳統(tǒng)刺激器系統(tǒng)的成本會(huì)在30,000美元以上，而這款采用TI技術(shù)的系統(tǒng)將單個(gè)系統(tǒng)的成本減少至1,000到2,000美元，Robert認(rèn)為這是改變行業(yè)未來(lái)的一個(gè)應(yīng)用。

　　CC2650無(wú)線MCU功耗極低，能夠允許整個(gè)系統(tǒng)由小型紐扣電池供電運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間。它的小尺寸也使其成為諸如此類可穿戴設(shè)備的理想選擇。

　　“對(duì)于這樣一個(gè)應(yīng)用，我感到非常激動(dòng)，”TI無(wú)線連接業(yè)務(wù)總經(jīng)理Amit Hammer 說道，“我們?cè)诮趲椭蛻糸_發(fā)了諸如門鎖、煙感器、定位信標(biāo)和智能信用卡等器件。而這個(gè)應(yīng)用展現(xiàn)了低功耗無(wú)線技術(shù)如何在治療以及提升人類生活質(zhì)量等方面產(chǎn)生巨大影響。”

　　引起了醫(yī)療領(lǐng)域關(guān)注

　　這項(xiàng)研究吸引了醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)某些“大咖”的注意。例如德州大學(xué)西南醫(yī)療中心神經(jīng)外科系的教授和系主任Hunt Batjer醫(yī)生，此外，Hunt Batjer醫(yī)生還是全美橄欖球聯(lián)賽和頸部與脊椎委員會(huì)的聯(lián)合主席，同時(shí)也是全美神經(jīng)外科醫(yī)師協(xié)會(huì)的主席。

　　“在醫(yī)療領(lǐng)域，針對(duì)中風(fēng)、腦出血和腦損傷的初期治療中，我們正在進(jìn)行一項(xiàng)非常出色的工作。我們擁有能夠幫助病人度過急性發(fā)病期同時(shí)增加存活機(jī)率的工具，”Batjer醫(yī)生說，“不過，我們?cè)诨謴?fù)已喪失身體機(jī)能方面還不太擅長(zhǎng)。我一直對(duì)腦部區(qū)域的重塑十分感興趣，并且研究了很多年，而Rennaker博士的工作引起了我的注意。”

　　Batjer醫(yī)生解釋說，要在任何一個(gè)特定領(lǐng)域內(nèi)成為專家，至少需要大約10, 000小時(shí)的練習(xí)與實(shí)踐，無(wú)論是演奏樂器或是編寫代碼均是如此。按照他的說法，這10,000小時(shí)的指導(dǎo)性排練與預(yù)演能夠真正的重組腦部區(qū)域，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過那些對(duì)于思維的“訓(xùn)練”。

　　Batjer醫(yī)生相信Rennaker博士的工作會(huì)幫助某些人重新掌握一項(xiàng)任務(wù)，例如通過將定向可塑與標(biāo)準(zhǔn)腦部訓(xùn)練游戲相結(jié)合來(lái)增加年老病人的記憶力，其使用的時(shí)間將遠(yuǎn)少于10, 000小時(shí)。

　　“當(dāng)遇到受傷人員，特別是中風(fēng)的病人時(shí)，由于這些病人上了年紀(jì)，他們并沒有時(shí)間進(jìn)行10,000小時(shí)的輔導(dǎo)訓(xùn)練，這就使我們陷入了進(jìn)退兩難的境地，”Batjer醫(yī)生說，“Rennaker博士實(shí)驗(yàn)室中接受迷走神經(jīng)刺激進(jìn)行康復(fù)的嚙齒動(dòng)物的確實(shí)現(xiàn)了我們通過10,000小時(shí)練習(xí)所希望能達(dá)到的效果，但是所花費(fèi)的時(shí)間要少得多，同時(shí)它使得大腦能夠完全修復(fù)。在沒有迷走神經(jīng)刺激的傳統(tǒng)康復(fù)中，試驗(yàn)中的動(dòng)物會(huì)恢復(fù)到一定的程度，然后進(jìn)入一個(gè)瓶頸期，這一點(diǎn)與人類很相似。”

　　服役人員激勵(lì)創(chuàng)新

　　這項(xiàng)研究還引起了美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)的注意。從它們的網(wǎng)站上可以了解到，DARPA的工作重點(diǎn)是“對(duì)涉及國(guó)家安全的突破性技術(shù)進(jìn)行關(guān)鍵性投入”。DARPA對(duì)Robert的工作給予了資金支持，因?yàn)樗难芯坑锌赡軒椭鉀Q創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙(PTSD)所帶來(lái)的影響。

　　可塑性是隨著人類的學(xué)習(xí)，使大腦中的神經(jīng)連接得以強(qiáng)化的過程。觸發(fā)可塑性來(lái)促進(jìn)學(xué)習(xí)或反學(xué)習(xí)，有可能為例如PTSD等疾病帶來(lái)全新的療法，PTSD的患者已經(jīng)學(xué)會(huì)在特定環(huán)境或背景下變得恐懼或焦慮。Rennaker博士的團(tuán)隊(duì)將深入研究刺激是否能夠提高習(xí)得的行為反應(yīng)，以減少在創(chuàng)傷暗示出現(xiàn)時(shí)產(chǎn)生的恐懼與焦慮。

　　雖然現(xiàn)在判斷同樣的研究是否也能夠幫助那些遭受戰(zhàn)場(chǎng)創(chuàng)傷性腦損傷的服役人員還為時(shí)尚早，不過DARPA的資金支持將讓Robert的團(tuán)隊(duì)能夠在他們合同范圍內(nèi)尋找這些全新方法與途徑。

　　相較于任何其它與研究項(xiàng)目有關(guān)的財(cái)政支持，DARPA的資金支持對(duì)于Robert更有意義。Robert在20世紀(jì)90年代曾經(jīng)作為一名美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)員在沖突地區(qū)服役。他親眼目睹了與他并肩作戰(zhàn)的戰(zhàn)友由于PTSD和腦損傷而永遠(yuǎn)地改變了人生。事實(shí)上，這一切也是他所有研究的靈感源泉。

　　“如果軍人們腦損傷的位置使他們無(wú)法控制四肢或是需要坐在輪椅里，在最初康復(fù)訓(xùn)練的12個(gè)月后，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)已經(jīng)起不到什么大的作用了。而對(duì)于我來(lái)說，這是無(wú)法接受的，”Robert說，“作為一名海軍陸戰(zhàn)隊(duì)員，我的志向和生活目標(biāo)就是幫助這些軍人們恢復(fù)已經(jīng)喪失的身體機(jī)能。我認(rèn)為我們已經(jīng)找到了這個(gè)工具，它將幫助我實(shí)現(xiàn)人生目標(biāo)，也將幫助這些軍人從傷病的折磨中走出來(lái)。”