電子技術幫助腦部治療探索全新領域

作者 | 發布日期 2016 年 08 月 04 日 12:40 | 分類 市場動態 , 醫療科技 follow us in feedly

在德州大學達拉斯分校的部分實驗室中,Robert Rennaker 博士所提出的「定向可塑」腦部康復研究正處於技術與現代醫學的最前沿。



做為德州儀器(TI )在德州大學達拉斯分校的著名生物工程主席,Robert 解釋,當一個人中風後,他的大腦會出現缺氧的情況,進而導致腦組織死亡。雖然大腦會嘗試重組,不過在大多數情況下,這種巨大的損傷將帶來致命的傷害。

透過使用生物電子藥物,Robert 和他的團隊希望幫助大腦進行重組,以控制這種生理反應。

人體的應急反應會在人類面臨危險時觸發。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出現的同時,位於頸部的迷走神經也會被觸發,並在大腦內釋放少量被稱為神經調質、能夠加強學習記憶的費洛蒙。這也是為什麼反擊或逃跑反應會被立即記住,並且永遠都不會遺忘的原因。這個生物現像是 Robert 突破性定向可塑工作的基礎,主要為了幫助中風和其他嚴重腦損傷的患者。

「定向可塑性並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釋放同樣的化學物質,以幫助大腦在單次試驗學習中獲取快速認知事物的能力。」達拉斯 Erik Jonsson 工程與電腦科學學院系主任兼德州生物醫學設備中心主任的 Robert 表示。

整個項目概念都圍繞著如何使迷走神經的刺激與療法相匹配。例如,如果一名患者因中風引發足下垂,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,將帶來非常嚴重的後果。 Rennaker 博士的團隊希望讓病人嘗試著抬起他們的腳趾,當腳趾產生運動時,他們就會刺激迷走神經。經過一段時間後,對於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,從而使病人能夠將腳趾抬得越來越高。

在未來 18 到 24 個月內將要開始的臨床實驗中,Robert 的團隊將會把一個做為刺激器的小設備植入到迷走神經中。這個器件與病人身上所佩戴的控制器相連接,另一方面,採用 TI SimpleLink 多標準 CC2650  無線微控制器(MCU) 的小型傳感器設備也會被安置在病人的腳上。當腳趾抬起距離地面特定高度時,病人腳上的器件會透過 TI 的 Bluetooth 低功耗軟體應用將這個數據發送至智慧手機,以此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,從而將腳趾恢復到病人能夠任意活動的位置。

「病人可以全天隨意行走,並且透過採用 TI 器件的 TI Bluetooth 應用程式進行治療,」Robert 說,「病人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功耗低、易於使用且具有較高的成本效率。通常這種類型的傳統刺激器系統的成本會在 30,000 美元以上,而這款採用TI技術的系統將單個系統的成本減少至 1,000 到 2,000 美元,Robert 認為這是改變行業未來的一個應用。

CC2650 無線 MCU 功耗極低,能夠允許整個系統由小型鈕扣電池供電運行很長時間。它的小尺寸也使其成為諸如此類可穿戴設備的理想選擇。

「對於這樣一個應用,我感到非常激動,」TI 無線連接業務總經理 Amit Hammer 說,「我們在近期幫助客戶開發了諸如門鎖、煙霧偵測器、定位器和智慧信用卡等器件。而這個應用展現了低功耗無線技術如何在治療以及提升人類生活質量等方面產生巨大影響。」

 

引起醫療領域關注

這項研究吸引了醫療領域內某些「大咖」的注意。例如德州大學西南醫療中心神經外科系的教授和系主任 Hunt Batjer 醫生,此外,Hunt Batjer 醫生還是全美橄欖球聯賽和頸部與脊椎委員會的聯合主席,同時也是全美神經外科醫師協會的主席。

「在醫療領域,針對中風、腦出血和腦損傷的初期治療中,我們正在進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病期同時增加存活機率的工具,」Batjer 醫生說, 「不過,我們在恢復已喪失身體機能方面還不太擅長。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 博士的工作引起了我的注意。」

Batjer 醫生解釋,要在任何一個特定領域內成為專家,至少需要大約 10, 000 小時的練習與實踐,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 小時的指導性排練與預演能夠真正的重組腦部區域,並且遠遠超過那些對於思惟的「訓練」。

Batjer 醫生相信 Rennaker 博士的工作會幫助某些人重新掌握一項任務,例如透過將定向可塑與標準腦部訓練遊戲相結合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。

「當遇到受傷人員,特別是中風的病人時,由於這些病人上了年紀,他們並沒有時間進行 10,000 小時的輔導訓練,這就使我們陷入了進退兩難的境地,」Batjer 醫生說,「Rennaker 博士實驗室中接受迷走神經刺激進行康復的囓齒動物,的確實現了我們透過 10,000 小時練習所希望能達到的效果,但是所花費的時間要少得多,同時它使得大腦能夠完全修復。在沒有迷走神經刺激的傳統康復中,試驗中的動物會恢復到一定的程度,然後進入一個瓶頸期,這一點與人類很相似。」

 

解決創傷後心理壓力緊張症候群

這項研究還引起了美國國防高級研究計畫局(DARPA)的注意。從它們的網站上可以了解到,DARPA 的工作重點是「對涉及國家安全的突破性技術進行關鍵性投入」。 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傷後心理壓力緊張症候群(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得以強化的過程。觸發可塑性來促進學習或反學習,有可能為例如 PTSD 等疾病帶來全新的療法,PTSD 的患者已經學會在特定環境或背景下變得恐懼或焦慮。 Rennaker 博士的團隊將深入研究刺激是否能夠提高習得的行為反應,以減少在創傷暗示出現時產生的恐懼與焦慮。

雖然現在判斷同樣的研究是否也能夠幫助那些遭受戰場創傷性腦損傷的軍人還為時尚早,不過 DARPA 的資金支持將讓 Robert 的團隊能夠在他們合同範圍內尋找這些全新方法與途徑。

相較於任何其他與研究項目有關的財政支持,DARPA 的資金支持對於 Robert 更有意義。 Robert 在20 世紀 90 年代曾是一名美國海軍陸戰隊員在衝突地區服役。他親眼目睹了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。

「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裡,在最初康復訓練的 12 個月後,現代醫學已經起不到什麼大作用了。而對於我來說,這是無法接受的,」Robert 說,「身為一名海軍陸戰隊員,我的志向和生活目標就是幫助這些軍人們恢復已經喪失的身體機能。我認為我們已經找到了這個工具,它將幫助我實現人生目標,也將幫助這些軍人從傷病的折磨中走出來。」 

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