無線“大腦起搏器”可以為神經系統疾病提供新的治療方法

由加州大學柏克萊分校的工程師開發的新型神經刺激器，這種名為WAND的設備就像一個“大腦起搏器”，可以監測大腦的電活動，並在發現異常情況時提供電刺激，可以同時收聽和刺激大腦中的電流，可能為患有癲癇和帕金森症等疾病的患者提供微調治療。

圖1：在所提出的裝置中，兩個新芯片將嵌入位於頭部外部的底盤中。每個芯片都可以監測位於大腦中的64個電極的電活動，同時提供電刺激以防止不必要的癲癇發作或震顫。
（加州大學柏克萊分校圖片來自Rikky Muller）

這些裝置可以非常有效地預防患有各種神經疾病的患者的衰弱性震顫或癲癇發作。但是在癲癇發作或震顫之前的電子訊號可能非常微妙，並且防止它們所需的電刺激的頻率和強度同樣敏感。在設備提供最佳治療之前，醫生可能需要多年的小幅調整。WAND代表無線無偽影神經調節裝置，既是無線的也是自主的，這意味著一旦它學會識別震顫或癲癇發作的跡象，它就可以自己調整刺激參數以防止不必要的運動。而且因為它是閉環的 - 這意味著它可以同時激發和記錄 - 它可以實時調整這些參數。

“為病人找到合適療法的過程成本極高，可能需要數年時間。成本和持續時間的顯著減少可能會大大改善結果和可訪問性，“加州大學柏克萊分校電氣工程和電腦科學助理教授Rikky Muller說。“我們希望設備能夠找出刺激特定患者的最佳方法，以獲得最佳結果。而你只能通過聆聽和記錄神經簽名來做到這一點。“

與其他閉環系統中的8個通道相比，WAND可記錄128個通道或大腦中128個點的電活動。為了演示該設備，該團隊使用WAND來識別和延遲恒河猴的特定手臂運動。2018年12月31日在Nature Biomedical Engineering上發表的一項研究中描述了該裝置。

圖2：WAND芯片採用定制集成電路設計，可記錄來自微妙腦電波和刺激器提供的強電脈衝的全部信號。（加州大學柏克萊分校攝影：Rikky Muller）

在池塘里的漣漪

同時刺激和記錄大腦中的電信號就像試圖看到池塘中的小漣漪同時還會濺起你的腳 - 來自大腦的電信號被刺激所傳遞的大量電脈衝所淹沒。目前，深部腦刺激器要么在傳遞電刺激的同時停止記錄，要么記錄在應用刺激的大腦的不同部位 - 基本上測量池中不同點處的小漣漪以防止飛濺。

加州大學柏克萊分校前博士後助理薩曼莎·桑塔克魯茲表示，“為了提供基於閉環刺激的療法，這是治療帕金森病和癲癇症以及各種神經系統疾病的人們的一個重要目標，同時進行神經記錄和刺激非常重要，但是目前市面上並沒有單一的商業設備可供選擇。"

由Muller領導的Cortera Neurotechnologies公司的研究人員設計了WAND定制集成電路，可以記錄來自細微腦電波和強電脈衝的全部信號。這種芯片設計允許WAND從電脈衝中減去信號，從而產生來自腦電波的清晰信號。

圖3：WAND的定制集成電路。（加州大學柏克萊分校圖片來自Rikky Muller）

現有設備被調諧為僅記錄來自較小腦波的信號並且被大的刺激脈衝淹沒，使得這種類型的信號重建變得不可能。“因為我們實際上可以刺激和記錄在同一個大腦區域，我們確切地知道當我們提供治療時發生了什麼，”穆勒說。

該團隊與電氣工程和計算機科學教授Jan Rabaey合作，構建了一個具有無線和閉環計算功能的平台設備，可以編程用於各種研究和臨床應用。

在加州大學柏克萊分校博士後由聖克魯茲領導的實驗中，以及電氣工程和電腦科學教授何塞·卡梅納的實驗中，受試者被教導使用操縱桿將光標移動到特定位置。在訓練期之後，WAND裝置能夠檢測當受試者準備進行運動時產生的神經信號，然後傳遞延遲運動的電刺激。

“雖然延遲反應時間已經證明了，但據我們所知，這是第一次在僅基於神經記錄的閉環系統中證明，”穆勒說。

“未來我們的目標是將學習融入我們的閉環平台，以構建能夠找到最佳治療方法的智能設備，並讓醫生不必經常乾預這一過程，”她說。

加州大學柏克萊分校的Andy Zhou和Benjamin C. Johnson加入Santacruz擔任該論文的共同主要作者。其他撰稿人包括加州大學柏克萊分校的George Alexandrov，Ali Moin和Fred L. Burghardt。這項工作部分得到了國防高級研究計劃局（W911NF-14- 2- 0043）和國家科學基金會研究生研究獎學金計劃（批准號1106400）的支持。作者Benjamin C. Johnson，Jan M. Rabaey，Jose M. Carmena和Rikky Muller對Cortera Neurotechnologies，Inc。有經濟利益，後者已就此項工作中使用的集成電路提交了專利申請。