无线“大脑起搏器”可能为神经系统疾病提供新的治疗方法
设备通过刺激和记录大脑中的电流来微调治疗
加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的工程师开发了一种新的神经刺激器，可以同时监听和刺激大脑中的电流，可能会为癫痫和帕金森等疾病的患者提供经过微调的治疗。这种被称为“魔杖”的装置就像一个“大脑起搏器”，监测大脑的电活动，如果发现有什么不对劲，就发出电刺激。
这些设备可以非常有效地防止患有各种神经疾病的患者出现衰弱性震颤或癫痫。但癫痫发作或震颤前的电信号可能极其细微，而防止癫痫发作所需的电刺激频率和强度也同样敏感。医生可能需要多年的小调整才能提供最佳的治疗。WAND是无线无人工神经调节装置的简称，它既是无线的，又是自主的，这意味着一旦它学会识别震动或癫痫的信号，它就可以自行调节刺激参数，防止不必要的动作。因为它是一个闭环——意味着它可以同时刺激和记录——它可以实时调整这些参数。
“为病人找到合适的治疗方法的过程非常昂贵，可能需要数年时间。”伯克利大学电气工程和计算机科学助理教授Rikky Muller说:“成本和工期的显著降低可能会大大改善结果和可及性。”“我们希望该设备能够找出最佳的方法来刺激一个给定的病人，给最好的结果。”你只能通过听和记录神经信号来做到这一点。与其他闭环系统中的8个通道相比，WAND可以记录128个通道或128个点上的电活动。为了演示这个装置，研究小组使用魔杖识别和延迟恒河猴手臂的特定动作。今天(12月31日)发表在《自然生物医学工程》(Nature Biomedical Engineering)杂志上的一项研究描述了这种设备。
池塘里的涟漪
同时刺激和记录大脑中的电信号就像在池塘里看到小涟漪的同时拍打你的脚——来自大脑的电信号被刺激发出的大脉冲所淹没。目前，深层大脑刺激器要么在发出电刺激时停止记录，要么在施加刺激的大脑不同部位进行记录——本质上是测量池塘中与溅水声不同位置的小波纹。“为了实现闭环stimulation-based疗法,这是一个大目标为人们治疗帕金森氏症和癫痫和各种神经系统疾病,都是非常重要的同时执行神经记录和刺激,目前没有一个商业设备,”前加州大学伯克利分校的博士后萨曼莎Santacruz说,他现在是在奥斯汀的得克萨斯大学的助理教授。
在Rikky Muller的带领下，Cortera Neurotechnologies公司的研究人员设计了一种魔杖定制集成电路，可以记录来自细微脑电波和强电脉冲的完整信号。这种芯片设计使得WAND可以从电脉冲中减去信号，从而从脑电波中得到一个清晰的信号。现有的设备只能记录来自较小脑电波的信号，并被大的刺激脉冲淹没，使得这种类型的信号重建不可能。Muller说:“因为我们可以在同一个大脑区域进行刺激和记录，所以当我们提供治疗的时候，我们确切地知道发生了什么。”
在电子工程实验室和计算机科学教授Jan Rabaey的合作下，该团队建立了一个具有无线和闭环计算能力的平台设备，可编程用于各种研究和临床应用。
Santacruz是加州大学伯克利分校的一名博士后，他和电气工程和计算机科学教授Jose Carmena共同进行了一项实验。实验中，实验对象被要求使用操纵杆将光标移动到一个特定的位置。经过一段时间的训练后，该魔杖装置能够检测出当受试者准备执行动作时产生的神经信号，然后发出延迟动作的电刺激。穆勒说:“虽然延迟反应时间以前已经得到证实，但据我们所知，这是首次在仅基于神经记录的闭环系统中得到证实。”穆勒说:“未来，我们的目标是将学习整合到我们的闭环平台中，开发出能够找出最佳治疗方法的智能设备，让医生不必在这个过程中不断地进行干预。”
