電子技術(shù)幫助腦部治療探索全新領(lǐng)域

　　在德州大學(xué)達拉斯分校的部分實(shí)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(shù)與現代醫學(xué)的最前沿。

　　作為TI在德州大學(xué)達拉斯分校的著(zhù)名生物工程主席，Robert解釋道，當一個(gè)人中風(fēng)后，他的大腦會(huì )出現缺氧的情況，從而導致腦組織死亡。雖然大腦會(huì )嘗試重組，不過(guò)在大多數情況下，這種巨大的損傷將帶來(lái)致命的傷害。

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

　　人體的應急反應會(huì )在人類(lèi)面臨危險時(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(lèi)反擊或逃跑。在所有這些生理反應出現的同時(shí)，位于頸部的迷走神經(jīng)也會(huì )被激活，并在大腦內釋放少量被稱(chēng)為神經(jīng)調質(zhì)、能夠加強學(xué)習記憶的信息素。這也是為什么反擊或逃跑反應會(huì )被立即記住，并且永遠都不會(huì )遺忘的原因。這個(gè)生物現象是Robert突破性定向可塑工作的基礎，主要為了幫助中風(fēng)和其他嚴重腦損傷的患者。

　　“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學(xué)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(xué)學(xué)院系主任兼德州生物醫學(xué)設備中心主任的Robert表示。

　　腳踏實(shí)地

　　整個(gè)項目概念都圍繞著(zhù)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，如果病人因為足下垂在行走過(guò)程中絆倒，將帶來(lái)非常嚴重的后果。Rennaker博士的團隊希望讓病人嘗試著(zhù)抬起他們的腳趾，當腳趾產(chǎn)生運動(dòng)時(shí)，他們就會(huì )刺激迷走神經(jīng)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，對于迷走神經(jīng)的刺激和腳趾的運動(dòng)會(huì )加強大腦與肌肉之間的聯(lián)系，從而使病人能夠將腳趾抬得越來(lái)越高。

　　在未來(lái)18到24個(gè)月內將要開(kāi)始的臨床實(shí)驗中，Robert的團隊將會(huì )把一個(gè)作為刺激器的小設備植入到迷走神經(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多標準CC2650無(wú)線(xiàn)微控制器(MCU) 的小型傳感器設備也會(huì )被安置在病人的腳上。當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(guò)TI的Bluetooth® 低功耗軟件應用將這個(gè)數據發(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(dòng)的位置。

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

　　Robert表示，他之所以選擇TI CC2650無(wú)線(xiàn)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(lèi)型的傳統刺激器系統的成本會(huì )在30,000美元以上，而這款采用TI技術(shù)的系統將單個(gè)系統的成本減少至1,000到2,000美元，Robert認為這是改變行業(yè)未來(lái)的一個(gè)應用。

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

　　“對于這樣一個(gè)應用，我感到非常激動(dòng)，”TI無(wú)線(xiàn)連接業(yè)務(wù)總經(jīng)理Amit Hammer 說(shuō)道，“我們在近期幫助客戶(hù)開(kāi)發(fā)了諸如門(mén)鎖、煙感器、定位信標和智能信用卡等器件。而這個(gè)應用展現了低功耗無(wú)線(xiàn)技術(shù)如何在治療以及提升人類(lèi)生活質(zhì)量等方面產(chǎn)生巨大影響。”

　　引起了醫療領(lǐng)域關(guān)注

　　這項研究吸引了醫療領(lǐng)域內某些“大咖”的注意。例如德州大學(xué)西南醫療中心神經(jīng)外科系的教授和系主任Hunt Batjer醫生，此外，Hunt Batjer醫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)外科醫師協(xié)會(huì )的主席。

　　“在醫療領(lǐng)域，針對中風(fēng)、腦出血和腦損傷的初期治療中，我們正在進(jìn)行一項非常出色的工作。我們擁有能夠幫助病人度過(guò)急性發(fā)病期同時(shí)增加存活機率的工具，”Batjer醫生說(shuō)，“不過(guò)，我們在恢復已喪失身體機能方面還不太擅長(cháng)。我一直對腦部區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醫生解釋說(shuō)，要在任何一個(gè)特定領(lǐng)域內成為專(zhuān)家，至少需要大約10, 000小時(shí)的練習與實(shí)踐，無(wú)論是演奏樂(lè )器或是編寫(xiě)代碼均是如此。按照他的說(shuō)法，這10,000小時(shí)的指導性排練與預演能夠真正的重組腦部區域，并且遠遠超過(guò)那些對于思維的“訓練”。

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

　　“當遇到受傷人員，特別是中風(fēng)的病人時(shí)，由于這些病人上了年紀，他們并沒(méi)有時(shí)間進(jìn)行10,000小時(shí)的輔導訓練，這就使我們陷入了進(jìn)退兩難的境地，”Batjer醫生說(shuō)，“Rennaker博士實(shí)驗室中接受迷走神經(jīng)刺激進(jìn)行康復的嚙齒動(dòng)物的確實(shí)現了我們通過(guò)10,000小時(shí)練習所希望能達到的效果，但是所花費的時(shí)間要少得多，同時(shí)它使得大腦能夠完全修復。在沒(méi)有迷走神經(jīng)刺激的傳統康復中，試驗中的動(dòng)物會(huì )恢復到一定的程度，然后進(jìn)入一個(gè)瓶頸期，這一點(diǎn)與人類(lèi)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(diǎn)是“對涉及國家安全的突破性技術(shù)進(jìn)行關(guān)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(lái)的影響。

　　可塑性是隨著(zhù)人類(lèi)的學(xué)習，使大腦中的神經(jīng)連接得以強化的過(guò)程。觸發(fā)可塑性來(lái)促進(jìn)學(xué)習或反學(xué)習，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 )傷暗示出現時(shí)產(chǎn)生的恐懼與焦慮。

　　雖然現在判斷同樣的研究是否也能夠幫助那些遭受戰場(chǎng)創(chuàng )傷性腦損傷的服役人員還為時(shí)尚早，不過(guò)DARPA的資金支持將讓Robert的團隊能夠在他們合同范圍內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(guān)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隊員在沖突地區服役。他親眼目睹了與他并肩作戰的戰友由于PTSD和腦損傷而永遠地改變了人生。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，在最初康復訓練的12個(gè)月后，現代醫學(xué)已經(jīng)起不到什么大的作用了。而對于我來(lái)說(shuō)，這是無(wú)法接受的，”Robert說(shuō)，“作為一名海軍陸戰隊員，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(gè)工具，它將幫助我實(shí)現人生目標，也將幫助這些軍人從傷病的折磨中走出來(lái)。”