新型无线神经刺激器：有望为神经系统疾病提供新标准疗法！

导读

近日，美国加州大学伯克利分校的工程师们开发出一种新型神经刺激器。它可以同步听取并刺激大脑中的电流，有望为患有癫痫与帕金森病等神经系统疾病的人们提供精细调节的治疗。

背景

神经系统，是人体结构和功能最复杂的系统，由神经细胞组成，在体内起主导作用。在神经系统的调控下，人体内各器官、系统的功能与各种生理过程能够相互联系、相互影响、密切配合，实现与维持正常的生命活动。

然而，神经系统中也会出现一些疾病，例如：癫痫病、帕金森病、阿尔茨海默病（老年性痴呆）、智商低下、神经衰退、多动症等。

检测与治疗神经系统疾病，除了一些常规疗法，创新技术也为我们带来了新的希望。笔者曾介绍过一些相关的案例，例如：

（一）阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的研究人员们开发出一种柔性、低成本的传感器，它可以更安全有效地诊断与治疗脑部病变。

（图片来源：阿卜杜拉国王科技大学）

（二）美国加州大学伯克利分校的工程师们研制出一款迄今为止体积最小、效率最高、由超声波无线充电的神经刺激器。这项技术为一系列疾病的治疗都带来了新的机遇。

（图片来源：Rikky Muller）

（三）美国加州大学河滨分校的一组科研人员开发出一种陶瓷材料制成的颅骨植入物，帮助医生将超声波送进大脑，更好地利用超声波治疗脑部疾病。

（图片来源于：UCR）

（四）荷兰埃因霍芬理工大学的科研人员开发出一种高科技智能手环，它能检测出的重度癫痫发作比率可达85%，这个比率明显优于现有其他技术。

（图片来源：LivAssured）

创新

今天，笔者要为大家介绍的新案例，也属于治疗神经系统疾病的创新技术，这项创新研究恰好也是来自加州大学伯克利分校。

近日，美国加州大学伯克利分校的工程师们开发出一种新型神经刺激器。它可以同步听取并刺激大脑中的电流，有望为患有癫痫与帕金森病等神经系统疾病的人们提供精细调节的治疗。

一项于2018年12月31日发表在《自然生物医学工程（Nature Biomedical Engineering）》期刊上的研究描述了该设备。

技术

该设备名为“WAND”，工作方式如同“大脑起搏器”，可监测大脑的电活动，并在发现问题时进行电刺激。

在各种神经状况下，该设备对于预防衰弱性震颤或者癫痫发作极为有效。但是，在癫痫发作或者震颤之前，出现的电信号极度微弱，预防这些疾病所需的电刺激的频率与强度也要同样敏感。一般来说，医生需要花费数年时间进行精细调节后，才能为患者提供最佳的治疗。

WAND，是“无线无伪差神经调节设备（wireless artifact-free neuromodulation device）”的缩写。也就是说，一旦它学会识别震颤或者癫痫发作的迹象，就可以自己调整刺激参数，以预防令人讨厌的动作。而且因为这是闭环的（意味着它可以同步展开刺激和记录），所以它能实时调整这些参数。

WAND系统架构（图片来源：参考资料【2】）

加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学系助理教授 Rikky Muller 表示：“为患者寻找正确疗法的过程极度昂贵，且需要花费几年时间。降低成本并缩短时间，有望极大改善效果与可接入性。我们想要使这个设备能搞清楚提供给特定病人的最佳方法，以获得最佳结果。为了实现这个目标，你只能通过听取并记录神经信号。”

相比于其他闭环系统的8个通道，WAND 可记录128个通道（大脑中128个点）的电活动。为了演示该设备，团队采用 WAND 识别并延缓了恒河猴的特定手臂运动。

下图所示：在提议的设备中，两个新型芯片被嵌入到位于头外部的底架中。每个芯片都可以通过64个电极监测大脑中的电活动，并同步释放电刺激，以预防令人讨厌的癫痫发作与震颤。

（图片来源：Rikky Muller, 加州大学伯克利分校 ）

同步地刺激并记录大脑中电信号，打个比方，很像你尝试去观察池塘中的小涟漪，同时也将池塘踩得浪花四溅。也就是说，来自大脑的较小的电信号，会被刺激所释放的较大的电脉冲所覆盖。

目前，脑深部刺激器要么会在释放电刺激的时候停止记录，要么会在不同于刺激施加位置的脑部位进行记录，从根本上测量通过踩水在池塘中不同点激起的小涟漪。

Rikky Muller 领导的来自 Cortera Neurotechnologies 公司的研究人员们设计出了 WAND 定制集成电路，可以记录来自微弱的脑电波与强烈的电脉冲的完整信号。这一芯片设计使得 WAND 去除了来自电脉冲的信号，从而获得了来自脑电波的干净信号。

（图片来源：Rikky Muller, 加州大学伯克利分校 ）

WAND的定制集成电路（图片来源：Rikky Muller, 加州大学伯克利分校 ）

现有的设备经过调谐后，只能用于记录来自较小的脑电波的信号，而这些信号被较大的刺激脉冲所覆盖，使得重构这种信号变得不可能。

Muller 表示：“因为我们实际上可以在同样的大脑区域进行刺激并记录，所以我们可以准确地了解我们进行治疗时正在发生的情况。”

在电气工程与计算机科学系教授 Jan Rabaey 的配合下，团队构造了一个具有无线和闭环计算功能的平台设备，它可以编程后用于一系列的研究和临床应用。

加州大学伯克利分校前博士后研究助理、现任德克萨斯大学奥斯汀分校助理教授的 Samantha Santacruz 与电气工程与计算机科学系教授 Jose Carmena 领导开展的实验中，受试者被教导用游戏操纵杆来移动光标达到特定的位置。在训练期之后，WAND 设备能够检测由受试者准备执行动作而产生的神经信号，并释放刺激延缓动作。

Muller 表示：“虽然之前已经演示过延缓反应时间，但是据我们所知，这是首次仅在基于神经记录的闭环系统中进行演示。”

价值

Santacruz 表示：“为了提供一种基于闭环刺激的疗法（这种疗法对于人们治疗帕金森病、癫痫以及一系列神经疾病来说是一个大目标），同步进行神经记录与刺激非常重要，而现在还没有单个商用设备可以做到这一点。”

未来

Muller 表示：“未来，我们的目标是将学习功能加入我们的闭环平台中，打造能搞清楚如何为你提供最佳治疗的智能设备，并无需医生频繁干预这个过程。”

关键字

神经系统、医疗、芯片

参考资料

【1】https://news.berkeley.edu/2018/12/31/wireless-pacemaker-for-the-brain-could-be-new-standard-treatment-for-neurological-disorders/

【2】http://dx.doi.org/10.1038/s41551-018-0323-x

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