超薄脑部植入装置 监测癫痫发作

2011-11-28 16:54:49来源: Technology Review

  该装置可以贴合脑部形状,更好地记录脑电活动情况。

大脑图谱:一个超薄电极微阵列植入到了猫脑中(上图),使得人们获取数据的能力远强于以前。该电极阵列十分柔韧,即使是再纤细的物体,它也可以折叠缠绕其上,让人们可以将它方便地嵌入并良好地覆盖在非平整表面上(下图)。来源:《自然神经科学》(Nature Neuroscience)

  一种新型植入装置超薄超柔韧,并且设置有传感器,它可以记录癫痫发作中大脑突发的强烈脑电活动,分辨精度是先前所能达到的近50倍。这样的细致程度会变革癫痫治疗方法,让人们用低侵入性手段就能检测和治疗癫痫。它还可以让人们拥有前所未有的能力,对大脑功能和脑机接口效果有更深的理解。

  就那些对药物治疗没有反应的癫痫患者来说,神经学家通常会尝试寻找定位大脑中癫痫发作的原发区域,这样他们就可以把该区域手术移除。因而,医生会移开一部分头骨,将一个大体积的传感器阵列安置在患者额叶皮层的表面。

  宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)的一位癫痫病专家、生物工程学家布莱恩·里特(Brian Litt)说:“自从20世纪50年代或60年代开始,这些临床装置就没有过太多改变。” 里特是领衔这项新研究的科学家之一。因为这些装置必须要给每个电极配置电线,所以留下的空间只够容纳不到100个电极,而且产生的脑电活动照片分辨率也很低。里特说:“这就好像,在曼哈顿上空从一架直升机里悬吊下仅仅一支麦克风,然后试图去将音量放大听明白某个人群在讨论些什么事情。”

  目前的技术停滞不前,只能制作每平方厘米大约8个传感器的传感器阵列;而里特与伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校(University of Illinois Urbana-Champaign)的一位材料科学及工程学教授约翰·罗杰士(John Rogers)合作,研发出一种新型阵列。该阵列可以在同样大小的空间里容纳360个传感器。为了创造一种密集容纳传感器的小巧装置,罗杰士将电子元件和硅晶体管整合进入阵列本身,大幅降低了配线数量。

  里特说:“这种新型装置更像是360支麦克风组成的阵列,从直升机上悬吊下来更接近地面,可以对更小的区域进行音量放大而记录:街角的几个人在说些什么,邮箱旁边的几个人又在说些什么。这项新技术会是理解大脑功能网络的关键,甚至还会是治疗并可能治愈某些疾病的关键。”

  里特、罗杰士和研究生乔纳森·维温迪(Jonathan Viventi )在一只癫痫猫中对该装置进行了首次试验。维温迪现在是纽约大学的助理教授,研究转化神经工程学。他们观察到一些引人注目的现象:一股强烈的脑电活动,看起来就像是自传播的螺旋波。这种模式只在分辨率极高的记录条件下才可以清楚看到,它与在心室纤维性颤动(ventricular fibrillation)时心肌中观察到的模式极其相似,而心室纤维性颤动会危及生命。

  里特说,人们传统上认为,大脑的很大一部分区域都是癫痫发作的原由。其实并非如此,癫痫发作似乎源自于面积十分小的大脑区域组成的集群,或者说皮层中的“微区”。该研究最近在线发表在《自然神经科学》(Nature Neuroscience)上。

失控:正如该新款电极密集型植入装置所检测到的,癫痫发作的猫表现出一种前所未见的螺旋波状脑电活动(如上图所示)。来源: 《自然神经科学》

  纽约州奥尔巴尼市(Albany)瓦兹沃斯中心(Wadsworth Center)的一位脑机接口研究员格文·沙尔克(Gerwin Schalk)说:“这真是了不起,我被这项技术成就以及那些强有力的重要实验结果给震惊了。对于基础神经科学和转化型研究来说,它将发挥巨大价值。” 沙尔克指出,如果该技术证明在人类中也适用,那么它会为各类研究——从诊断学到脑机接口装置——打开一扇大门,大量机遇会随之而来。

  该装置还可以让人们进行低侵入性试验和治疗。里特说,人们不用再大面积切开头骨去放置监测装置,因为该新型植入装置让外科医生只需在头骨上钻一个小孔,然后通过小孔将纤细的卷状传感器阵列滑入头骨内部,接着再将其在大脑表面展开。并且,人们可能不用再移除高尔夫球大小的大脑区域,而是只需要移除那些微区,同时保持皮层其余区域完好。

  当下研究中使用的装置为1平方厘米大小,要是用于人类,研究人员需要将其扩大,达到大约8平方厘米大小。一家名为MC10的新创公司将致力于将其扩大,并做量产准备。

  里特和罗杰士现正在努力研发一种带有刺激器的植入装置,嵌入在那些传感器旁边。如果他们能够研发出一种装置,不仅可以检测癫痫发作症状,还可以快速进行电刺激来平息癫痫发作,那么这项研究的临床意义就非常巨大。罗杰士说:“这不仅仅是一个研究工具。它在临床环境下还有着明确的应用方式。这是一款功能无与伦比的生物整合型电子器件,实践一下就知效果如何。”

关键字:超薄  脑部  植入  装置

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2011/1128/article_2534.html
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