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神经接口系统恢复受损大脑功能

神经接口系统恢复受损大脑功能

对于修复大脑,神经接口系统(Neural interface systems)技术变得越来越可行。

日前,来自凯斯西储大学等机构的科学家们在大脑受伤的大鼠模型中,利用一个神经假体恢复了它的行为举止——在这个例子中,指其通过一个狭小通道伸出前肢抓握食物的能力。研究人员希望最终发展一种装置,能够快速和大幅提高人类受损后大脑的功能。

假体,称为脑机接口(brain-machine-brain interface, BMI),是一个闭环的微电子系统。它记录来自大脑一部分的信号,并实时地处理这些信号,然后通过刺激已经失去连通性的大脑的第二个部分,将受损部位弥合起来。

研究人员表示,如果使用这个装置,把来自大脑一部分的活动结合到大脑的另一部分,是否有可能引起TBI的恢复?这是本研究的核心之处。他们最终发现,可以使用一个闭环的神经假体,促进受损大脑的修复。

研究人员在大脑损伤模型大鼠中,测试了这个假体。他们绘制了大鼠的大脑图,构建了一个模型,在这个模型中,控制大鼠前肢的大脑前部和后部部分被切断。脑机接口在每个动物的头顶,是位于一个比 25 美分硬币更小的电路板上的一个微芯片,与植入两个大脑区域的微电极连接。

该装置能够放大信号,这被称为神经动作电位,由大脑前部的神经元产生。一种运算法则,能够从噪音和其它人工产品中分离这些信号,将其记录为大脑峰电活动。利用检测的每个峰电,微芯片能够发出电流脉冲,刺激大脑前部的神经元,人为地连接两个大脑区域。

假体植入并连续运行两周后,利用全闭环系统的大鼠模型已经恢复了几乎所有因为损伤而丢失的大脑功能,接近未受伤正常大鼠所用时间的 70%,它们成功地取回食物颗粒。受到该装置随机刺激的大鼠模型,取回了不到一半的食物颗粒,而那些没有接受刺激的大鼠,只取回了大约四分之一。

研究人员表示,仍有一个需要回答的问题是,假体必须被终生保留在原处吗?还是可以在 2 到 6 个月之后被撤掉,新的连接是否和何时将在大脑中形成?

大脑研究已经表明,在生长期间,相互之间有规律交流的神经元,会发展和巩固它们之间的连接。研究人员表示,他们需要更多的系统性研究,确定在大脑中发生了什么从而引起了功能恢复。他们也想确定,在大脑受损伤后,是否存在一个最佳的时间窗口,在这个时间内,他们必须植入装置以恢复大脑功能。

原文检索:

David J. Guggenmos, Meysam Azin, Scott Barbay, Jonathan D. Mahnken, Caleb Dunham,Pedram Mohseni, and Randolph J. Nudo. Restoration of function after brain damage using a neural prosthesis. PNAS, December 9, 2013; doi:10.1073/pnas.1316885110

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