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(dá)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(fù)研究正處于技術(shù)與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的最前沿。

　　作為TI在德州大學(xué)達(dá)拉斯分校的著名生物工程主席，Robert解釋道，當(dāng)一個人中風(fēng)后，他的大腦會出現(xiàn)缺氧的情況，從而導(dǎo)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(tuán)隊希望幫助大腦進(jìn)行重組，以控制這種生理反應(yīng)。

　　人體的應(yīng)急反應(yīng)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(yīng)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(qiáng)學(xué)習(xí)記憶的信息素。這也是為什么反擊或逃跑反應(yīng)會被立即記住，并且永遠(yuǎn)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(chǔ)，主要為了幫助中風(fēng)和其他嚴(yán)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(xué)物質(zhì)，以幫助大腦在單次試驗學(xué)習(xí)中獲取快速認(rèn)知事物的能力。”達(dá)拉斯Erik Jonsson工程與計算機(jī)科學(xué)學(xué)院系主任兼德州生物醫(yī)學(xué)設(shè)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(fēng)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(yán)重的后果。Rennaker博士的團(tuán)隊希望讓病人嘗試著抬起他們的腳趾，當(dāng)腳趾產(chǎn)生運(yùn)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(yùn)動會加強(qiáng)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(tuán)隊將會把一個作為刺激器的小設(shè)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(biāo)準(zhǔn)CC2650無線微控制器(MCU) 的小型傳感器設(shè)備也會被安置在病人的腳上。當(dāng)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(yīng)用將這個數(shù)據(jù)發(fā)送至智能手機(jī)，以此發(fā)出指令讓控制器刺激迷走神經(jīng)。這強(qiáng)化了那些控制腳部肌肉的腦細(xì)胞，從而將腳趾恢復(fù)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(yīng)用程序進(jìn)行治療，”Robert說道，“病人擁有的是一個完整的技術(shù)系統(tǒng)，能夠允許他們進(jìn)行一些有趣且獨特的活動，同時還能有助于康復(fù)。”

　　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(shù)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(rèn)為這是改變行業(yè)未來的一個應(yīng)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(yùn)行很長時間。它的小尺寸也使其成為諸如此類可穿戴設(shè)備的理想選擇。

　　“對于這樣一個應(yīng)用，我感到非常激動，”TI無線連接業(yè)務(wù)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(biāo)和智能信用卡等器件。而這個應(yīng)用展現(xiàn)了低功耗無線技術(shù)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(lǐng)域關(guān)注

　　這項研究吸引了醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)某些“大咖”的注意。例如德州大學(xué)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(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急性發(fā)病期同時增加存活機(jī)率的工具，”Batjer醫(yī)生說，“不過，我們在恢復(fù)已喪失身體機(jī)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(lǐng)域內(nèi)成為專家，至少需要大約10, 000小時的練習(xí)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(dǎo)性排練與預(yù)演能夠真正的重組腦部區(qū)域，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過那些對于思維的“訓(xùn)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(wù)，例如通過將定向可塑與標(biāo)準(zhǔn)腦部訓(xùn)練游戲相結(jié)合來增加年老病人的記憶力，其使用的時間將遠(yuǎn)少于10, 000小時。

　　“當(dāng)遇到受傷人員，特別是中風(fēng)的病人時，由于這些病人上了年紀(jì)，他們并沒有時間進(jìn)行10,000小時的輔導(dǎo)訓(xùn)練，這就使我們陷入了進(jìn)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(jìn)行康復(fù)的嚙齒動物的確實現(xiàn)了我們通過10,000小時練習(xí)所希望能達(dá)到的效果，但是所花費(fèi)的時間要少得多，同時它使得大腦能夠完全修復(fù)。在沒有迷走神經(jīng)刺激的傳統(tǒng)康復(fù)中，試驗中的動物會恢復(fù)到一定的程度，然后進(jìn)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(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(yīng)激障礙(PTSD)所帶來的影響。

　　可塑性是隨著人類的學(xué)習(xí)，使大腦中的神經(jīng)連接得以強(qiáng)化的過程。觸發(fā)可塑性來促進(jìn)學(xué)習(xí)或反學(xué)習(xí)，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(xué)會在特定環(huán)境或背景下變得恐懼或焦慮。Rennaker博士的團(tuán)隊將深入研究刺激是否能夠提高習(xí)得的行為反應(yīng)，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(tuán)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(guān)的財政支持，DARPA的資金支持對于Robert更有意義。Robert在20世紀(jì)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(yuǎn)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(fù)訓(xùn)練的12個月后，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)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(biāo)就是幫助這些軍人們恢復(fù)已經(jīng)喪失的身體機(jī)能。我認(rèn)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(biāo)，也將幫助這些軍人從傷病的折磨中走出來。”