電子技術幫助腦部治療探索全新領域

　　在德州大學達拉斯分校的部分實驗室中，Robert Rennaker博士所提出的“定向可塑”腦部康復研究正處于技術與現(xiàn)代醫(yī)學的最前沿。

　　作為TI在德州大學達拉斯分校的著名生物工程主席，Robert解釋道，當一個人中風后，他的大腦會出現(xiàn)缺氧的情況，從而導致腦組織死亡。雖然大腦會嘗試重組，不過在大多數(shù)情況下，這種巨大的損傷將帶來致命的傷害。

　　通過使用生物電子藥物，Robert和他的團隊希望幫助大腦進行重組，以控制這種生理反應。

　　人體的應急反應會在人類面臨危險時觸發(fā)。此時，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出現(xiàn)的同時，位于頸部的迷走神經(jīng)也會被激活，并在大腦內(nèi)釋放少量被稱為神經(jīng)調(diào)質(zhì)、能夠加強學習記憶的信息素。這也是為什么反擊或逃跑反應會被立即記住，并且永遠都不會遺忘的原因。這個生物現(xiàn)象是Robert突破性定向可塑工作的基礎，主要為了幫助中風和其他嚴重腦損傷的患者。

　　“定向可塑性并不會讓病人受到驚嚇或是帶來痛苦，我們利用生物電子藥物來刺激迷走神經(jīng)釋放同樣的化學物質(zhì)，以幫助大腦在單次試驗學習中獲取快速認知事物的能力。”達拉斯Erik Jonsson工程與計算機科學學院系主任兼德州生物醫(yī)學設備中心主任的Robert表示。

　　腳踏實地

　　整個項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引發(fā)足下垂，一般情況下，病患無法再將腳趾抬起，如果病人因為足下垂在行走過程中絆倒，將帶來非常嚴重的后果。Rennaker博士的團隊希望讓病人嘗試著抬起他們的腳趾，當腳趾產(chǎn)生運動時，他們就會刺激迷走神經(jīng)。經(jīng)過一段時間后，對于迷走神經(jīng)的刺激和腳趾的運動會加強大腦與肌肉之間的聯(lián)系，從而使病人能夠?qū)⒛_趾抬得越來越高。

　　在未來18到24個月內(nèi)將要開始的臨床實驗中，Robert的團隊將會把一個作為刺激器的小設備植入到迷走神經(jīng)中。這個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多標準CC2650無線微控制器(MCU) 的小型傳感器設備也會被安置在病人的腳上。當腳趾抬起距離地面特定高度時，病人腳上的器件會通過TI的Bluetooth® 低功耗軟件應用將這個數(shù)據(jù)發(fā)送至智能手機，以此發(fā)出指令讓控制器刺激迷走神經(jīng)。這強化了那些控制腳部肌肉的腦細胞，從而將腳趾恢復到病人能夠任意活動的位置。

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

　　Robert表示，他之所以選擇TI CC2650無線MCU以及其隨附的軟件是因為它功耗低、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)的成本會在30,000美元以上，而這款采用TI技術的系統(tǒng)將單個系統(tǒng)的成本減少至1,000到2,000美元，Robert認為這是改變行業(yè)未來的一個應用。

　　CC2650無線MCU功耗極低，能夠允許整個系統(tǒng)由小型紐扣電池供電運行很長時間。它的小尺寸也使其成為諸如此類可穿戴設備的理想選擇。

　　“對于這樣一個應用，我感到非常激動，”TI無線連接業(yè)務總經(jīng)理Amit Hammer 說道，“我們在近期幫助客戶開發(fā)了諸如門鎖、煙感器、定位信標和智能信用卡等器件。而這個應用展現(xiàn)了低功耗無線技術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)療領域關注

　　這項研究吸引了醫(yī)療領域內(nèi)某些“大咖”的注意。例如德州大學西南醫(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的聯(lián)合主席，同時也是全美神經(jīng)外科醫(yī)師協(xié)會的主席。

　　“在醫(yī)療領域，針對中風、腦出血和腦損傷的初期治療中，我們正在進行一項非常出色的工作。我們擁有能夠幫助病人度過急性發(fā)病期同時增加存活機率的工具，”Batjer醫(yī)生說，“不過，我們在恢復已喪失身體機能方面還不太擅長。我一直對腦部區(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，要在任何一個特定領域內(nèi)成為專家，至少需要大約10, 000小時的練習與實踐，無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小時的指導性排練與預演能夠真正的重組腦部區(qū)域，并且遠遠超過那些對于思維的“訓練”。

　　Batjer醫(yī)生相信Rennaker博士的工作會幫助某些人重新掌握一項任務，例如通過將定向可塑與標準腦部訓練游戲相結合來增加年老病人的記憶力，其使用的時間將遠少于10, 000小時。

　　“當遇到受傷人員，特別是中風的病人時，由于這些病人上了年紀，他們并沒有時間進行10,000小時的輔導訓練，這就使我們陷入了進退兩難的境地，”Batjer醫(yī)生說，“Rennaker博士實驗室中接受迷走神經(jīng)刺激進行康復的嚙齒動物的確實現(xiàn)了我們通過10,000小時練習所希望能達到的效果，但是所花費的時間要少得多，同時它使得大腦能夠完全修復。在沒有迷走神經(jīng)刺激的傳統(tǒng)康復中，試驗中的動物會恢復到一定的程度，然后進入一個瓶頸期，這一點與人類很相似。”

　　服役人員激勵創(chuàng)新

　　這項研究還引起了美國國防高級研究計劃局(DARPA)的注意。從它們的網(wǎng)站上可以了解到，DARPA的工作重點是“對涉及國家安全的突破性技術進行關鍵性投入”。DARPA對Robert的工作給予了資金支持，因為他的研究有可能幫助解決創(chuàng)傷后應激障礙(PTSD)所帶來的影響。

　　可塑性是隨著人類的學習，使大腦中的神經(jīng)連接得以強化的過程。觸發(fā)可塑性來促進學習或反學習，有可能為例如PTSD等疾病帶來全新的療法，PTSD的患者已經(jīng)學會在特定環(huán)境或背景下變得恐懼或焦慮。Rennaker博士的團隊將深入研究刺激是否能夠提高習得的行為反應，以減少在創(chuàng)傷暗示出現(xiàn)時產(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)場創(chuàng)傷性腦損傷的服役人員還為時尚早，不過DARPA的資金支持將讓Robert的團隊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目有關的財政支持，DARPA的資金支持對于Robert更有意義。Robert在20世紀90年代曾經(jīng)作為一名美國海軍陸戰(zhàn)隊員在沖突地區(qū)服役。他親眼目睹了與他并肩作戰(zhàn)的戰(zhàn)友由于PTSD和腦損傷而永遠地改變了人生。事實上，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法控制四肢或是需要坐在輪椅里，在最初康復訓練的12個月后，現(xiàn)代醫(yī)學已經(jīng)起不到什么大的作用了。而對于我來說，這是無法接受的，”Robert說，“作為一名海軍陸戰(zhàn)隊員，我的志向和生活目標就是幫助這些軍人們恢復已經(jīng)喪失的身體機能。我認為我們已經(jīng)找到了這個工具，它將幫助我實現(xiàn)人生目標，也將幫助這些軍人從傷病的折磨中走出來。”