植入微型线圈,治疗抑郁症

2017-01-12 09:47 来源:环球科学  我有话说
2017-01-12 09:47:02来源:环球科学作者:责任编辑:肖春芳

  对神经学家和医学专家们来说,大脑入侵(brain hacking)是医学研究中非常前沿的领域。如果能精准地控制人脑860亿神经元,也许能更好地发现这些神经元细胞是如何协作共事,支配身体和个人行为的。这些“大脑黑客”们通常将大脑比作电脑操作系统的控制面板,通过安装或卸载补丁(“激活”或“冻结”部分细胞)可以修复系统漏洞(治疗癫痫和抑郁等精神疾病)。

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  图片来源:Seung Woo Lee

  但激活特定的神经元细胞并不容易。经典的神经刺激技术是运用植入式金属电极在脑细胞周围产生电流,这种方法会激活较大区域内的神经元,且伤口愈合形成的组织将逐渐包裹电极隔绝电流。现在,也有研究人员尝试利用光遗传学的新技术,通过闪光来控制细胞,但怎样将光线传入大脑却是现在面临的技术难题。

  可植入的微型“电磁线圈”让科学家们看到了新希望。绝缘线圈中的电流能够产生磁场,通过电磁感应刺激神经元细胞。科学家可以根据自己的意图改变电磁场区域的形状,从而激发目标区域的细胞。另外,磁场可以轻松穿透结痂的组织。

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图片来源:Seung Woo Lee

  在某些方面,这项技术类似用于治疗抑郁症的磁场疗法。在进行经颅电刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)时,病人头戴的大线圈刺激了调解情绪的脑神经元。哈佛大学医学院(Harvard Medical School)的Shelley Fried正在他的神经修复学实验室开展一项新研究,他表示:“TMS受欢迎的主要原因之一是它并不需要损伤人体细胞,但目前为止,依然很难办到精确地刺激神经元。”

  Fried说,神经学家们一直认为如果植入的线圈过小,产生的磁场很难达到刺激神经元的强度。但是,他们团队的研究成果推翻了这一传统理论。

  研究人员采用微制造技术,以硅和铜为原材料制造出仅有100微米粗细的电磁线圈(大约为头发丝直径的2倍,与植入式电极相近)。在他们的展示中,这些由微细铜丝缠绕形成的线圈能在端部产生足够强的磁场。在大脑皮层沿纵向神经元植入探针,就能让线圈端部产生的磁场刺激该部位神经元,而不干扰从其他部位延伸过来的横向神经束。

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图片来源:Seung Woo Lee

  Fried和同事在《科学进展》上发表的文章详细描述了微型线圈。他们以被麻醉后的小鼠为对象,测试了这套装置。团队的研究人员将微型线圈植入到控制腮部的大脑运动皮层,向线圈通电从而使腮部抽搐。

  有业内的内专家也称赞这套线圈体积小巧作用范围精准,但是,也对这些优点能否在实际医疗中发挥作用提出了质疑。Harbaljit Sohal是纽约州长岛曼哈西特(Manhasset)范因斯坦医学研究院(Feinstein Institute for Medical Research)的一位研究员,他曾采用微制造技术研制出了可植入神经系统的柔性电极。他表示:“大脑在刺激下的反应是衡量刺激方法和手段的有效标准,与电刺激相比,磁场刺激并没有产生不同的反应。除非这项新技术明显具有优越性,否则很难取代现有的电刺激技术。”

  Fried回应称,微型线圈适用于对刺激精度要求很高的医学领域,比如视觉假体。据Fried介绍,这类研究已经有了不错的进展:在16年10月,Second Sight 公司已经完成了首例人体试验,将视觉模拟器植入盲人大脑的视觉皮层。通过刺激该皮质层的不同区域,将视界内的图像信息传输给大脑。他说:“如果对视觉皮层区域不加以区分而同时刺激,侧大脑中很难形成清晰的影像。”

  他还以脑机接口(brain-computer interface,BCI)系统为例,介绍其中的感官反馈可使人类用意念操控机器假肢或机械外骨骼。要让一个瘫痪病人用意念操纵机器手臂抓起水杯,不仅仅需要植入电极来记录大脑运动皮层发出的行动指令,还需要植入微型线圈向大脑传输金属手指的触觉反馈。“使用者不仅要使手指握住合适的位置,还要增加抓握的力道,”Fried说。微型线圈能够向大脑发送不同的信号,从而传输上述不同信息。

  哈佛大学研究人员下一步将以猴子为对象进行研究,尝试在猴子清醒时用微型线圈刺激特定区域的神经元。他们还将在实验室检验微型线圈作用于人类大脑组织切片的效果。

  撰文 Eliza Strickland

  翻译 张尧

[责任编辑:肖春芳]

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