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爲什麽神經元樣植入物可以治療阿爾茨海默病或創傷後應激障礙

植入大脑的电极有助于缓解与帕金森病相关的侵袭性震颤等症状。但目前的探针由于其尺寸和不灵活性而面临限制。“大脑湿软,这些植入物很僵硬,”Shaun Patel说。大约四年前,当他发现Charles M. Lieber的超灵活替代品时,他看到了脑机界面的未来。

最近在自然生物技術公司发表的名为“精密电子医学”的视角中,帕特尔,哈佛医学院和麻省总医院的教员,以及约书亚和贝丝弗里德曼大学教授利伯认为,神经科技正处于重大文艺复兴。纵观历史,科学家们已经模糊了学科界限,以解决比个别领域更大的问题。例如,人类基因组计划召集了国际科学家团队,以比其他方式更快地绘制人类基因图谱。

“下一個前沿實際上是人類認知與機器的融合,”帕特爾說。他和利伯認爲網狀電子設備是這些機器的基礎,這是一種爲與大腦相關的任何事物設計個性化電子治療的方法。

帕特爾說:“從根本上說,一切都體現在大腦中。一切。你所有的想法,你的看法,任何類型的疾病。”

科學家可以確定決策,學習和情緒起源的大腦的一般區域,但追蹤特定神經元的行爲仍然是一個挑戰。現在,當大腦的複雜電路由于精神疾病(如成瘾或強迫症),神經退行性疾病如帕金森氏症或阿爾茨海默氏症,甚至自然衰老而開始出現行爲不端或退化時,患者只有兩種選擇進行醫療幹預:藥物,或者當那些失敗的植入電極。

像左旋多巴這樣的藥物可以平息震顫,阻止帕金森氏症患者進行穿著和進食等簡單任務。但是因爲藥物影響的不僅僅是它們的目標,甚至常見的左旋多巴副作用也很嚴重,從惡心到抑郁到心律異常。

當藥物不再起作用時,FDA批准的電極可通過深部腦刺激提供緩解。像起搏器一樣,鎖骨下面的電池組會向兩個腦部植入物發送自動電脈沖。利伯說每個電極“看起來像一支鉛筆。它很大。”

在植入期間,帕金森病患者處于清醒狀態,因此外科醫生可以校准電脈沖。撥電,震動平靜。“幾乎立刻,你可以看到這個人重新控制自己的四肢,”帕特爾說。“這讓我大吃一驚。”

但是,与L-多巴一样,大电极比预期目标刺激更多,有时会导致严重的副作用,如语言障碍。并且,随着时间的推移,大脑的免疫系统将僵硬的植入物视为异物:神经免疫細胞(神经胶质細胞)吞噬了感知的入侵者,取代甚至杀死神经元并降低了设备维持治疗的能力。

相比之下,利伯的网状电子设备几乎不会引起免疫反应。通过与相同神经元的紧密,长期接近,植入物可以收集关于个体神经元如何随时间通信的强大数据,或者在神经障碍的情况下,无法进行通信。最终,这种技術可以跟踪具体的神经亚型如何说话,所有这些都可以导致更清晰,更精确的大脑通信网络图。

使用更高分辨率的目標,未來的電極可以更高精度地起作用,消除不必要的副作用如果發生這種情況,帕特爾說,他們可以調整治療任何神經系統疾病。並且,與目前的電極不同,利伯已經展示了他們自己的一個有價值的技巧:他們鼓勵神經遷移,可能將新生神經元引導到受損區域,如中風産生的口袋。

“它的潛力很大,”帕特爾說。“在我看來,我從晶體管或電信開始的層面看到了這一點。”

潛力超出治療範圍:自適應電極可以提高對假肢甚至癱瘓肢體的控制。隨著時間的推移,它們可以像神經替代品一樣,替換損壞的電路,重新建立破碎的通信網絡,並根據實時反饋重新校准。“如果你能夠以精確和長期的方式實際互動,並提供反饋信息,”利伯說,“你可以像大腦在自身內部溝通一樣真正地與大腦溝通。”

一些主要的技術公司也渴望支持脑机接口。有些人,比如Elon Musk的Neuralink,计划给瘫痪的病人提供用他们的思想工作的电脑的能力,他们专注于辅助应用。其他人有更广泛的计划:Facebook希望人们通过对单词进行成像来发短信,Brian Johnson的内核希望提高认知能力。

在他的博士后研究期间,帕特尔看到了短暂的电脉冲 - 不超过500毫秒的刺激 - 可以控制一个人做出安全或冲动决定的能力。经过一点点努力后,几乎总是选择风险投注的受试者选择了安全选项。“你根本不知道它发生了,”帕特尔说。“你没有意识到它。这超出了你的意识。”

这种权力要求进行严格的道德审查。对于努力对抗成瘾或强迫症的人来说,外部脉冲调节器可以显着改善他们的生活质量。但是,运营这些监管机构的公司可以访问其客户最个人的数据 - 他们的想法。而且,如果出售增强型学习和记忆,谁能买到更好的大脑?“如果你想要创造一个超人,那么人们确实需要对所涉及的道德有点小心,”利伯说。

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