Nature子刊：利用闭环脑机接口缓解疼痛感

慢性疼痛的特点是不连续的疼痛发作，频率和持续时间不可预测。这阻碍了对疼痛机制的研究。在这里，研究人员展示了一个闭环脑机接口(BMI) 可以通过将伤害感受的神经代码直接与治疗性皮层刺激耦合来实时调节自由行为大鼠的感官-情感体验。BMI通过一种状态空间模型来解码伤害感受的开始，该模型基于对前扣带皮层(这对疼痛处理至关重要)在线分类的峰值记录的分析，并将实时疼痛检测与前额叶皮层(施加自上而下的伤害感受调节)的光遗传激活结合起来。在大鼠中，BMI有效地抑制了急性机械性疼痛或热性疼痛以及慢性炎症性疼痛或神经性疼痛引起的感觉和情感行为。该方法为基于需求的神经调节治疗感觉-情感障碍提供了蓝图，并可进一步用于伤害性感受控制和疼痛机制的研究。

Cerebellum of CIVM postnatal rat brain atlas. Credit: Neurolex

纽约大学格罗斯曼医学院的研究人员在一项研究中，为大脑植入物的发展提供了一份“蓝图”，用于治疗疼痛综合症和其他脑部疾病，如焦虑、抑郁和恐慌症。

该项研究于近日发表在《Nature Biomedical Engineering》杂志上，研究显示与设备关闭时相比，植入设备的老鼠因突然疼痛而缩回爪子的速度要慢 40%。

根据研究作者的说法，这表明该设备可以降低了啮齿动物所经历的疼痛强度。

研究人员表示，这项调查是首次使用计算机化的大脑植入物来实时检测和缓解阵痛。研究者说，这也是首款针对慢性疼痛的设备，这种疼痛通常在没有已知触发因素的情况下发生。

用于检测和治疗疼痛的闭环 BMI的设计

据估计，美国四分之一的成年人会受到慢性疼痛的影响。对于不断复发的疼痛，目前的治疗方法，如阿片类药物，往往会随着时间的推移而变得不那么有效，因为人们对治疗变得不敏感。此外，像阿片类药物这样的药物会激活大脑的奖励中心，产生可能导致上瘾的愉悦感。

研究人员表示，以前研究过的计算机化大脑植入物可以防止癫痫发作和控制假肢装置，可能会避免许多这些问题。该技术被称为闭环脑机接口，它可以检测大脑前扣带皮层的活动，这是大脑处理疼痛的关键区域。连接到该设备的计算机会自动识别大脑中与疼痛密切相关的大脑电模式。当检测到疼痛迹象时，计算机会触发对大脑的另一个区域前额叶皮层的治疗性刺激，以缓解疼痛。

急性热痛的闭环BMI控制

急性机械性疼痛的闭环 BMI 控制

慢性炎症性疼痛模型中自发性疼痛的闭环 BMI 控制

研究人员表示，利用闭环脑机接口设备可以有效的缓解疼痛。而且由于该装置只在疼痛时才被激活，它减少了过度使用的风险和任何潜在的耐受性。此外，由于植入物不像阿片类药物那样提供止痛以外的奖励，成瘾的风险被降到了最低。

作为研究的一部分，研究人员在数十只老鼠的大脑中安装了微型电极，然后对它们的疼痛程度进行了仔细测量。研究者密切监测动物远离疼痛源的速度。这使研究人员能够跟踪该设备正确识别前扣带皮层中基于疼痛的大脑活动的频率，以及它如何有效地减轻由此产生的感觉。

根据研究作者的说法，植入物在高达 80% 的时间内能够准确检测到疼痛。

研究人员补充说，可以通过在前扣带回皮层以外的大脑其他区域安装电极来改善植入物的疼痛检测特性。虽然该项技术目前还不适合用于人类，但研究者表示，正在计划研究有可能适合人类使用的侵入性较低的形式。

参考信息:

https://medicalxpress.com/

Zhang, Q., Hu, S., Talay, R. et al. A prototype closed-loop brain–machine interface for the study and treatment of pain. Nat Biomed Eng (2021). https://doi.org/10.1038/s41551-021-00736-7