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TI 電子技術探索腦部治療全新領域

2017-1-10 02:33 PM| 發佈者: SophieWeng@G| 查看: 349| 評論: 0|來自: 德州儀器

摘要: 德州大學達拉斯分校的Robert Rennaker博士提出「目標可塑性(targeted plasticity)」腦部治癒研究,可說是走在科技技術與現代醫學的最前端。在臨床實驗中,把一個作為刺激機制的小裝置植入迷走神經中,與病人身上所佩 ...

在德州大學達拉斯分校的實驗室,由Robert Rennaker博士所提出的「目標可塑性(targeted plasticity)」腦部治癒研究可說是走在科技技術與現代醫學的最前端。

TI在德州大學達拉斯分校的傑出生物工程學家Robert解釋,中風時大腦會出現缺氧的情況,因而導致大腦組織死亡。雖然大腦會嘗試重組,但在大部份的情況下,這種巨大的損傷將帶來致命的傷害。

Robert和他的團隊希望能透過使用生物電子藥物,來幫助大腦進行重組,以控制這種「戰或逃(fight or flight response) 」的生理反應。

人體的戰或逃反應會在面臨危險時觸發。此時,人的心跳加速,血壓上升,同時腎上腺素分泌幫助其判斷要作戰或逃跑。在所有這些生理反應出現時,位於頸部的迷走神經也會被啟動,並在大腦內釋放少量「神經調節物質」,能夠加強學習能力與記憶。這也是為什麼戰或逃反應會被立即記住,且永遠不會遺忘的原因。這個生物現象正是Robert所提出、可幫助中風和其他腦部重大損傷患者的目標可塑性工作之基礎。

德州大學達拉斯分校Erik Jonsson工程與電腦科學學院院長暨德州生物醫學設備中心主任Robert表示:「目標可塑性不會為病人帶來驚嚇或痛苦,我們利用生物電子藥物來刺激迷走神經,並釋放同樣的化學物質,讓大腦在單次試驗學習中快速獲取認知事物的能力。」

一步一腳印

這整個概念圍繞著如何使迷走神經的刺激與療法相互搭配上。例如,如果一名患者因中風引發垂足,通常病患將無法抬起腳趾,因此病人往往會在行走過程中絆倒,導致危險。Rennaker博士的團隊希望讓病人嘗試抬起他們的腳趾,當腳趾運動時,他們就會刺激迷走神經。經過一段時間後,迷走神經的刺激和腳趾的運動會加強大腦與肌肉之間的聯繫,病人因此能夠將腳趾抬得越來越高。

在未來1824個月要開始的臨床實驗中,Robert的團隊會把一個作為刺激機制的小裝置植入迷走神經中。這個裝置與病人身上所佩戴的控制器相連接,另一方面,採用TI SimpleLink多重標準CC2650無線微控制器(MCU 的小型感測器裝置也會被安裝在病人的腳上。當腳趾抬起至距離地面特定高度時,病人腳上的裝置會透過TIBluetooth® 低功耗軟體應用將這個資料傳輸到智慧手機,發出指令讓控制器刺激迷走神經。這強化了那些控制腳部肌肉的腦細胞,讓腳趾恢復到病人能夠任意活動的位置。

Robert說:「透過採用TI裝置的TI Bluetooth應用程式進行治療,病人可以全天隨意走動。現在他們擁有的是一個完整的技術系統,能夠允許他們進行一些有趣且獨特的活動,同時還能有助於身體康復。」

Robert表示,他之所以選擇TI CC2650無線MCU以及其隨附的軟體是因為它低功耗、易於使用且高成本效率的特性。一般來說,這種類型的傳統刺激系統的成本會在30,000美元以上,而這款採用TI技術的系統將一個系統的成本減少至1,0002,000美元,Robert形容這是「改變產業未來」的一項應用。

CC2650無線MCU功耗極低,一顆小型鈕扣電池便能夠供應整個系統的電力且運行很長一段時間;而其小尺寸的特性,也成為如穿戴式裝置一般小型電子裝置的理想選擇。

TI無線連接事業總經理Amit Hammer 表示:「我對於這樣一個應用感到非常興奮。近期,我們已經為客戶開發了如門鎖、煙感偵測器、微定位訊號發射器和智慧信用卡等連接裝置。而這個應用展現了低功耗無線技術如何對人體治療以及提升生活品質產生偌大的影響。」

醫學領域的關注

這項研究也成功地吸引了醫學領域中的幾位頭號人物關注。例如德州大學西南醫學中心神經外科系的教授暨系主任Hunt Batjer醫生。Hunt Batjer醫生同時也是國家橄欖球聯盟和頸部與脊椎委員會的聯合主席,以及美國神經外科醫師協會理事長。

Batjer醫生說:「在針對中風、腦出血和精神創傷的初期治療中,我們正在進行一項非常了不起的工作,擁有能夠幫助病人度過急性發病期同時增加存活率的工具。然而,我們仍不太擅長恢復喪失身體機能方面的治療。我一直對腦部區域的重塑十分感興趣,並且研究了很多年,而Rennaker博士的工作成功地引起了我的注意。」

Batjer醫生解釋,無論是演奏樂器或是編寫程式代碼,要在任何一個特定領域內成為專家,至少需要花約10, 000小時的時間練習。按照他的說法,這10,000小時的指導演練能夠真正的重組腦部區域,並且遠遠超過那些對於思維的「訓練」。

Batjer醫生相信Rennaker博士的工作會幫助重新掌握任務,例如透過目標可塑性與標準腦部訓練遊戲相的搭配來增加年老病人的記憶力,其使用的時間將遠少於10, 000小時。

Batjer醫生說:「當遇到受傷的人,特別是中風的病人時,由於這些病人都上了年紀,他們並沒有時間進行10,000小時的輔導訓練,讓我們陷入了進退兩難的處境。 Rennaker博士實驗室中接受迷走神經刺激來進行治療的齧齒動物確實地實現了我們經由10,000小時練習所希望能達到的效果,而所花費的時間比預期中還少,同時也能讓大腦完全修復。在沒有採用迷走神經刺激的傳統康復治療中,試驗的動物會恢復到一定的程度,然後進入一個瓶頸期,與人類的情況相似。」

服役軍人激發創新

這項研究也引起了美國國防高等研究計畫署(DARPA)的注意。從他們的官網可以瞭解到,DARPA的工作重點是「對涉及國家安全的突破性技術進行關鍵性投入」。DARPA資金支援Robert的研究工作,主要是因為他的研究有可能幫助解決創傷後壓力症候群(PTSD)所帶來的影響。

可塑性是隨著人類的學習,使大腦中的神經連接更加強化的過程。觸發可塑性來促進學習或反學習(unlearning),有可能為如PTSD等,那些患者已經學會在特定環境背景下變得恐懼或焦慮的疾病帶來全新的療法。Rennaker博士的團隊將深入研究探討刺激是否能夠提高接收到的行為反應,以減少在創傷暗示出現時所產生的恐懼與焦慮。

雖然現在就針對「同樣的研究是否也能夠幫助那些在戰場上受到創傷性腦損傷的軍人」來下定論還太早,不過,DARPA資金支援能夠讓Robert的團隊在他們合約範圍內尋找這些全新的方法。

相較於其它與研究專案有關的資金贊助,DARPA的資金支援對於Robert來說更有意義。Robert90年代時曾是一名在衝突區服役的美國海軍,他親眼目睹與他並肩作戰的戰友由於PTSD和腦損傷而永遠地改變了人生。事實上,這一切也是他所有研究的靈感源泉。

Robert說:「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輪椅,在最初康復訓練的12個月後,現代醫學已經起不到什麼太大的作用了。而對我來說,這是無法接受的事實。作為一名海軍,我的志向和目標就是為這些受傷的軍人恢復已經喪失的身體機能。我想我們已經找到了這項工具,不僅實現了我的人生目標,更幫助這些軍人從傷害的中走出、康復。」

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