神经植入物是如何工作的?

图片：ZEPHYR/Science Source

一名帕金森病患者的 X光片显示，大脑深处刺激器的电极被植入大脑。这个“大脑起搏器”会发出电脉冲来治疗疾病的运动症状。

未来，神经植入物可以读取和编辑一个人的想法，这听起来像科幻小说中的桥段。不过，神经植入物已经被用于治疗疾病、受伤后的身体康复、提高记忆力、控制假肢等等。

美国国防部和美国国立卫生研究院(NIH)已向该领域投入了数亿美元的资金。关于该领域的独立研究论文几乎每周都会出现在顶级期刊上。

在这里，我们描述了神经植入物的类型，解释了神经植入物的工作原理，并展示了这些设备可以做什么的示例。

什么是神经植入物？

神经植入物是一种放置在体内与神经元相互作用的装置。

神经元是用电的语言交流的细胞。它们以特定模式发射电脉冲，有点像摩尔斯电码。植入物是一种通过手术或注射植入体内的人造设备。

Gif: Spencer Sutton/Science Source

当一个神经元被激活时，它会发出一个可以被电极记录的电脉冲。

神经植入物是一种装置——通常是某种电极——被植入人体，与含有神经元的组织接触，并以某种方式与这些神经元相互作用。

有了这些设备，就有可能记录原生的神经活动，让研究人员观察到健康的神经回路的通信模式。神经植入物还可以向神经元发送电脉冲，覆盖原有的放电模式，迫使神经元以不同的方式交流。

换句话说，神经植入物使科学家能够侵入神经系统。称之为神经调节、电子药物或生物电子学——涉及神经植入物的干预有可能成为非常强大的医疗工具。

神经系统的功能：它控制思维、视觉、听觉、感觉、运动和排尿等等。它还控制许多非自愿过程，例如器官功能和身体的炎症、呼吸、心血管和免疫系统。

“神经系统所做的任何事情都可以通过电主动干预来帮助或治愈——如果我们知道如何去做的话，”NIH 的神经科学家 GeneCivillico 表示，他负责该机构的周围神经刺激资助项目 SPARC。

如何使用神经植入物？

神经植入最成熟的临床应用之一是脑深部电刺激(DBS)疗法。在这种疗法中，通过外科手术将电极植入大脑深处，用电刺激特定结构，以减少各种脑部疾病的症状。

Illustration: Reprinted with the permissionof Medtronic

Medtronic的DBS系统目前常用来治疗帕金森病的运动症状。

1997年，美国食品药品监督管理局(FDA)首次批准使用DBS治疗原发性震颤。此后，FDA或其他全球监管机构批准DBS治疗帕金森病、肌张力障碍、耳鸣、癫痫、强迫症和神经性疼痛。DBS还被研究用于治疗图雷特综合症和抑郁症等精神疾病。据估计，全球有超过150,000 人接受了 DBS 植入。

研究人员还花了大量时间使用神经植入物来操纵迷走神经。迷走神经将我们的大部分关键器官连接到脑干，研究人员正在破解这条通讯高速公路，以治疗心力衰竭、中风、类风湿性关节炎、克罗恩病、癫痫、2型糖尿病、肥胖症、抑郁症、偏头痛和其他疾病。

2018年，因脊髓损伤而瘫痪的患者在脊椎刺激的帮助下再次行走。

一些涉及神经植入物的最激动人心的实验来自脊髓刺激，也称为硬膜外刺激。这种治疗使一些下半身瘫痪的人在脊髓受伤后能够活动、站立甚至短距离行走。

也许没有什么神经调节研究比意念控制的假肢更能吸引公众的想象力了。这些系统使截肢者能够用他们的意念以最基本的方式控制机器人的手、手臂和腿。这可以通过在大脑或截肢上方的肢体植入神经来实现。其中一些机械臂还可以通过刺激截肢部位上方的神经来提供感官反馈，让用户感觉到他或她正在触摸什么。

视频：BrainGate.org

BrainGate研究团队使用神经植入技术使四肢瘫痪的人能够控制电脑光标和机器人手臂。

研究人员通过精确地刺激大脑结构，成功地增强了人们对特定任务的记忆能力。四肢瘫痪的患者在大脑中植入了植入物，他们只用自己的意念来操作电脑和打字。有一种算法可以仅根据大脑活动来判断一个人的情绪。有几家公司已经成功地将矫正眼睛和大脑之间神经通讯的植入物推向市场。埃隆·马斯克表示，他的公司Neuralink计划将我们的大脑与人工智能同步。

神经植入物的下一步是什么？

任何植入物的侵入性都会限制其使用。除非一个人有严重的医疗需要，否则很难证明大脑或脊柱手术是合理的。因此，工程师们不断发明更好的设备，可以深入人体，对组织的影响更小。

美国国家心理健康研究所神经调节和神经刺激项目的负责人大卫·麦克马伦说：“工程师们正在不断突破技术上可行的界限。这一切都是为了减少手术负担，增加植入物的慢性特性，并不断尝试获得更小的电极，覆盖更大的大脑区域”。

工程师们制作了灰尘大小的大脑植入物，像藤蔓一样攀附神经的电极，由纳米电子线等柔性材料制成的电极，支架状电极，或“stentrodes”，它可以通过血管进入大脑并记录电活动，由硅纳米线制成的可注射电子网，电极可以以液体的形式注入人体，然后硬化成有弹性的太妃糖状物质(taffy-like substance)的电极等等。

“Stentrodes”可以通过血管插入大脑，无需进行开颅手术。

甚至可以使用放置在皮肤上或皮肤附近的电极或磁线圈无创地进行神经调节。尽管到目前为止，这种方法还没有植入物的特异性和有效性，但在某些情况下已经被证明是有效的。

但这些创新的设备只能到此为止。“人们有一个误解，认为(神经调节的)障碍主要是技术上的，比如我们没有意念控制设备的唯一原因是还没有研制出足够灵活的电极，”NIH的civilico说。

Civillico 指出，研究人员仍然需要对神经回路的生理学有基本的了解。他们需要神经元如何交流的map，以及这些回路对身体和大脑的具体影响。

参考信息：

https://spectrum.ieee.org//the-human-os/biomedical/devices/what-is-neural-implant-neuromodulation-brain-implants-electroceuticals-neuralink-definition-examples.