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PNAS:神經假體恢復受損大腦功能

日期:2013-12-11 09:34:50

 

神經接口系統(tǒng)Neural interface systems),對大腦修復策略變的越來越可行。來自美國凱斯西儲大學和堪薩斯大學醫(yī)學中心的科學家們,在大腦受傷的大鼠模型中,利用一個神經假體恢復了它的行為舉止——在這個例子中,指其通過一個狹小通道伸出前肢抓握食物的能力。

 

該研究團隊希望最終發(fā)展一種裝置,能夠快速和大幅提高人類受損后大腦的功能。有150萬美國人缺少這樣的商業(yè)治療,包括在阿富汗和伊拉克的士兵,他們遭受了創(chuàng)傷性大腦損傷(TBI),而且,在美國,每年有將近80萬經受無力和癱瘓的中風患者。

 

假體,稱為腦機接口(brain-machine-brain interface, BMI),是一個閉環(huán)的微電子系統(tǒng)。它記錄來自大腦一部分的信號,并實時地處理這些信號,然后通過刺激已經失去連通性的大腦的第二個部分,將受損部位彌合起來。

 

這項研究發(fā)表在最近的PNAS雜志上。凱斯西儲大學電子工程和計算機科學教授Pedram Mohseni,構建了大腦假體,他說:“如果你使用這個裝置,把來自大腦一部分的活動結合到大腦的另一部分,是否有可能引起TBI的恢復?這是本研究的核心之處。”

 

他說:“是的,我們最終發(fā)現(xiàn),可以使用一個閉環(huán)的神經假體,促進受損大腦的修復。”

 

研究人員在堪薩斯大學分子和綜合生理學教授Randolph J. Nudo實驗室中的大腦損傷模型大鼠中,測試了這個假體。Nudo繪制了大鼠的大腦圖,構建了一個模型,在這個模型中,控制大鼠前肢的大腦前部和后部部分被切斷。

 

腦機接口在每個動物的頭頂,是位于一個比25美分硬幣更小的電路板上的一個微芯片,與植入兩個大腦區(qū)域的微電極連接。

 

該裝置能夠放大信號,這被稱為神經動作電位,由大腦前部的神經元產生。一種運算法則,能夠從噪音和其它人工產品中分離這些信號,將其記錄為大腦峰電活動。利用檢測的每個峰電,微芯片能夠發(fā)出電流脈沖,刺激大腦前部的神經元,人為地連接兩個大腦區(qū)域。

 

假體植入并連續(xù)運行兩周后,利用全閉環(huán)系統(tǒng)的大鼠模型已經恢復了幾乎所有因為損傷而丟失的大腦功能,接近未受傷正常大鼠所用時間的70%,它們成功地取回食物顆粒。受到該裝置隨機刺激的大鼠模型,取回了不到一半的食物顆粒,而那些沒有接受刺激的大鼠,只取回了大約四分之一。

 

Mohseni說:“仍有一個需要回答的問題是,假體必須被終生保留在原處嗎?還是可以在26個月之后被撤掉,新的連接是否和何時將在大腦中形成?”

 

大腦研究已經表明,在生長期間,相互之間有規(guī)律交流的神經元,會發(fā)展和鞏固它們之間的連接。MohseniNudo稱,他們需要更多的系統(tǒng)性研究,確定在大腦中發(fā)生了什么從而引起了功能恢復。他們也想確定,在大腦受損傷后,是否存在一個最佳的時間窗口,在這個時間內,他們必須植入裝置以恢復大腦功能。

 


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