解決慢性疼痛難題的機(jī)器學(xué)習(xí)搜索
UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SAN FRANCISCO
舊金山加州大學(xué)的科學(xué)家和臨床醫(yī)生正在開發(fā)研究和潛在治療慢性疼痛的新方法。在最近發(fā)表在《自然神經(jīng)科學(xué)》上的一篇論文中,Prasad Shirvalkar博士和他團(tuán)隊的醫(yī)生和研究人員研究了慢性疼痛類型如何在大腦活動記錄中表現(xiàn)出來。
加州大學(xué)舊金山分校疼痛管理中心的神經(jīng)學(xué)家和疼痛專家Shirvalkar正在研究和治療中樞疼痛綜合征,這是一種由中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙引起的慢性疼痛。治療這種情況很困難,部分原因是它不是由外部來源或受損的身體部位產(chǎn)生的。使問題進(jìn)一步復(fù)雜化的是,缺乏關(guān)于不同類型的疼痛(包括急性和慢性)如何在神經(jīng)系統(tǒng)中表現(xiàn)的具體知識。Shirvalkar說:“事情不會發(fā)生在大腦區(qū)域,而是發(fā)生在協(xié)調(diào)細(xì)胞的分布式回路中?!?他指的是疼痛如何在神經(jīng)活動模式中表現(xiàn)出來。某些大腦區(qū)域可能有助于某些類型的信息處理,但它們本身并不能完成任何特定的任務(wù)。
慢性神經(jīng)性疼痛樣中樞疼痛綜合征的一種治療方法是使用腦深部刺激(DBS)來操縱引起疼痛的神經(jīng)活動。DBS還用于治療其他神經(jīng)疾病,如帕金森氏癥和更嚴(yán)重的抑郁癥。然而,在慢性疼痛的情況下,很難確切知道DBS電極的位置,這樣刺激它們可以有效地分流引起疼痛的大腦活動。
為了更好地了解中樞疼痛是如何從大腦功能中產(chǎn)生的,本研究觀察了四名中樞性疼痛綜合征患者的神經(jīng)活動記錄,其中三名患者在中風(fēng)后恢復(fù)時出現(xiàn)慢性疼痛,一名患者在右腿膝蓋以上截肢后出現(xiàn)幻肢疼痛,并將神經(jīng)活動與問卷調(diào)查和每位患者報告的0至10分疼痛評分聯(lián)系起來。研究人員記錄了放置在患者眶額皮質(zhì)(OFC)和前扣帶皮質(zhì)(ACC)的顱內(nèi)電極的數(shù)據(jù),這兩個大腦區(qū)域以前與疼痛感有關(guān)。
每位患者都接受了手術(shù),將神經(jīng)記錄和刺激平臺植入他們的大腦。這種設(shè)備是便攜式的,可以讓每個患者了解自己的生活,并記錄代表他們?nèi)粘V袠刑弁唇?jīng)歷的數(shù)據(jù)。手機(jī)應(yīng)用程序定期提醒患者注意他們當(dāng)前的疼痛程度,并記錄神經(jīng)植入物30秒的腦電波數(shù)據(jù)(皮層電圖和局部場電位)。
Shirvalkar和他的合作者使用機(jī)器學(xué)習(xí)將神經(jīng)活動的特征與每位患者在每次大腦記錄前報告的疼痛水平聯(lián)系起來。這些特征代表了從ACC和OFC的不同位置收集的神經(jīng)記錄中不同頻率的相對存在,被發(fā)現(xiàn)與每個受試者的高和低疼痛狀態(tài)可靠相關(guān)。然而,這些關(guān)聯(lián)的模式——哪些頻率具有最大的功率——大腦的位置因患者而異。
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盡管他們觀察到患者之間與慢性疼痛相關(guān)的大腦活動存在差異,但研究人員也確實(shí)發(fā)現(xiàn)了他們之間存在的一些共性。具體來說,Shirvalkar和他的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn),在所有患者中,低頻功率,特別是1到4赫茲之間的德爾塔波,在較低的OFC區(qū)域增加。這些區(qū)域也位于大腦的一側(cè),與患者疼痛的一側(cè)相對或?qū)?cè)。Shirvalkar說:“模型中適合預(yù)測個體患者疼痛的前十個特征是不同的,但出現(xiàn)的主要模式是對側(cè)OFC,這令人驚訝。這些患者的身體只有一個部位疼痛,這給了我們一個機(jī)會。當(dāng)涉及到疼痛時,我們對大腦的偏側(cè)性了解不多。這是一件模糊的事情?!?/p>
國家疼痛倡導(dǎo)中心創(chuàng)始人兼執(zhí)行主任Kate Nicholson表示,這項研究可能會更好地量化疼痛,并為那些患有中樞性疼痛障礙和其他導(dǎo)致慢性疼痛的疾病的患者提供治療。
Nicholson說:“尋找疼痛表型的客觀指標(biāo)是圣杯。除了主觀報告外,這將有助于治療疼痛。盡管這項研究只觀察了四個人,以及一種非常特殊的神經(jīng)性疼痛,但他們的發(fā)現(xiàn)確實(shí)很有趣。這非常令人興奮,但這僅僅是第一階段。”
接下來,Shirvalkar計劃將他們的發(fā)現(xiàn)納入更好的慢性疼痛刺激治療中?!斑@項研究只是觸及了表面,”Shirvalkar說,“未來,我們可以有一種刺激器來改變刺激的頻率和位置。這是一個變化的目標(biāo):當(dāng)你進(jìn)行刺激時,會改變大腦的狀態(tài)。你試圖跟蹤大腦的自然波動,然后試圖了解該刺激在做什么,進(jìn)而將這些整合到一個共同的模型中?!?/p>
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