2022-07-12 15:12:12

大脑刺激可以重新连接并修复受损的神经连接,但目前还不清楚是如何做到的——研究表明,个性化可能是更有效治疗的关键

Illustration of silhouette side profiles with a window into their multi-patterned brain regions

大脑神经元之间的连接使你能够做一些令人惊奇的事情,从刷牙到解微积分方程。当这些连接受损时,通常是由于中风或创伤性脑损伤,这些能力就会丧失。然而,用微小的电脉冲直接激活神经元,可以帮助重新连接这些连接,并可能恢复功能。

医生目前使用这种被称为神经刺激的技术来治疗帕金森症和抑郁症等疾病。我们相信,神经刺激不仅有可能治疗症状,还可能通过修复受损的连接来治愈更广泛的疾病。然而,目前还不清楚如何最好地微调刺激,以特别针对大脑中受损的连接。

过去几年发展起来的新形式的神经技术和统计模型已经使回答这个问题成为可能。我们的生物医学工程师和统计学家团队使用这些工具表明,神经刺激对神经元产生的变化取决于它们最初是如何连接的。换句话说,要让神经刺激发挥作用,它需要针对每个人的大脑量身定制。

脑深部刺激是目前用于治疗帕金森病和抑郁症的一种神经刺激方式。

新技术照亮了刺激

为了研究什么因素对神经刺激的效果影响最大,我们刺激了两只猴子的大脑,并记录了不同区域之间的连接如何变化。我们重点研究了与运动和感觉处理有关的大脑区域,这些区域通常在中风等神经系统疾病中受损。

我们用一个大规模的神经接口来记录我们的数据——这个设备直接安装在活的大脑表面,并记录下大脑下面神经元的活动。我们的神经接口能够通过光遗传学精确地刺激每个区域,光遗传学是一种照亮转基因神经元来激活它们的技术。虽然还没有被批准用于人类,但与其他形式的神经刺激相比,光遗传学有独特的优势,这使得它在理解刺激如何影响大脑方面特别有用。这包括它对大脑产生的电信号进行高质量记录的能力。

光遗传学使研究人员能够精确地研究 控制特定神经元和其他细胞的行为。

然后,我们用人工智能算法分析了我们的数据,该算法旨在预测预先存在的大脑连接和不同的刺激参数将如何影响大脑。

这种算法类似于深度学习等其他AI技术,它们可以在数据中发现其他方法难以或不可能识别的复杂关系。但不像这些“黑匣子”模型,让研究人员无法理解他们是如何得出他们的发现的,我们的技术让我们看到为什么和如何做出预测。使用该算法,我们能够测试影响连接变化的不同因素,并可视化它们各自对模型提供的总体预测的贡献。这些因素包括刺激过程之间的停顿时间,大脑中刺激位置与放置电极的大脑区域之间的距离,等等。

我们发现,预测大脑变化最重要的因素是大脑中现有的连接,而不是刺激传递的方式。这表明,每个人大脑的独特特性对于理解它对刺激的反应至关重要,这表明需要个性化治疗以最大化其效益。这看起来就像为每个人的大脑量身定做神经刺激的强度、频率和位置。

有针对性的刺激可以帮助修复受损的公司 大脑中的连接。

为什么人nalization事项

脑刺激有可能治疗广泛的神经系统疾病。我们的工作表明,研究现有的大脑连接如何影响神经刺激反应可能是一个值得进一步研究的新方向。我们相信,改变神经连接本身以获得长期效果,而不是刺激神经元以获得神经活动的短期变化,可能有助于将治疗从仅仅治疗症状转变为彻底治愈疾病。

个性化治疗可以改善脑刺激疗法的一种健康状况是中风,它是美国严重的长期残疾和死亡的主要原因之一。虽然大脑能够部分修复中风造成的损伤,但在恢复的机会显著下降之前,只有两周的窗口期。

Doctor placing transcranial magnetic stimulation device on patient
人员 对大脑刺激的应用可能会为更广泛的疾病带来更有效的治疗。Suzanne Kreiter/《波士顿环球报》,Getty Images

2008年,我们中的一个人参与了一项失败的临床研究,珠穆朗玛峰试验,探索了使用大脑刺激来延长康复期和帮助中风幸存者重获行动能力的可能性。根据我们最近的研究,我们假设临床试验可能失败了,因为研究人员对所有患者使用了相同的通用刺激,而不是根据每个人的大脑量身定制。应用同样的大脑刺激参数可能在啮齿动物的研究中起作用,但人类的大脑要复杂得多。虽然我们不能确定这是否是临床试验失败的原因,但我们的研究表明,刺激可能需要更个性化才能有效。

人的下一步nalizing脑刺激

我们的工作表明,针对每个大脑的个性化治疗可以帮助改善大脑刺激结果,并提出了研究神经连接如何影响刺激的工具。但还需要进一步的研究来弄清楚如何通过精确地加强或削弱特定的神经连接来实现个性化。

同样值得注意的是,到目前为止,我们只在两个大脑区域测试了我们的技术。我们计划在其他大脑区域重复这项研究,以验证我们的发现可以推广到整个大脑,并适用于不同的神经和精神疾病。我们还在使用我们的神经接口和人工智能算法来设计刺激模式,可以诱导大脑发生特定变化,以修复功能失调的连接。

在科学家们更好地了解大脑刺激如何影响大脑之前,大脑刺激的全部潜力将无法实现。我们相信,弄清楚现有的大脑连接模式是如何随着刺激而相互作用和改变的,可以为更多的神经和精神疾病的治疗打开大门。