海馬體植入薄膜電極未來(lái)可革新腦神經(jīng)疾病的治療

眾所周知，人類(lèi)大腦的海馬區(qū)主要負(fù)責(zé)短期記憶和學(xué)習(xí)功能，比如反復(fù)記憶一個(gè)單詞或某件事，海馬體就會(huì)將這些信息轉(zhuǎn)存入大腦皮層，成為永久記憶里的一部分。

美國(guó)著名國(guó)家實(shí)驗(yàn)室之一的勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore National Laboratory，簡(jiǎn)稱(chēng)LLNL）研發(fā)的薄膜電極，現(xiàn)已投入加利福尼亞大學(xué)舊金山分校（University of California, San Francisco簡(jiǎn)稱(chēng)UCSF）的患者中使用，并且發(fā)現(xiàn)了史無(wú)前例的海馬區(qū)大腦活動(dòng)的記錄。

《自然·通訊》上，在該校的一次研究中，神經(jīng)學(xué)家將LLNL研發(fā)的薄膜多電極陣列，植入已經(jīng)接受癲癇相關(guān)手術(shù)的一組患者的大腦上。

這種方法可幫助研究團(tuán)隊(duì)檢測(cè)到通過(guò)海馬體表面?zhèn)鞑r(shí)的行波，從而有助于了解海馬體的更多特性，以及有望借此促進(jìn)人類(lèi)認(rèn)知。

LLNL的植入式微系統(tǒng)小組負(fù)責(zé)人瑞齊·哈克表示：“我們最新的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了以前不可能實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)象，這項(xiàng)挑戰(zhàn)要求創(chuàng)造新穎，順應(yīng)性和更高密度的電極，使它們更靈活并包裹在大腦特定的深部區(qū)域。這項(xiàng)研究將提供大量可用數(shù)據(jù)，這是我們作為工程師的動(dòng)力，使我們能夠構(gòu)建科學(xué)家可以用來(lái)進(jìn)行新科學(xué)的工具?！?/p>

LLNL長(zhǎng)期致力于為神經(jīng)系統(tǒng)提供新的（潛在）治療方案。LLNL認(rèn)為，海馬體表面的運(yùn)行行波對(duì)于大腦形成記憶和執(zhí)行相關(guān)認(rèn)知信息方面起著重要的作用。不過(guò)關(guān)于海馬體行波的爭(zhēng)議也是一直存在的，因?yàn)樵缜跋嚓P(guān)研究都是通過(guò)穿透深度電極來(lái)進(jìn)行的記錄。

LLNL研發(fā)的微電極陣列具有高密度的網(wǎng)格布局，適用于海馬體表面，為研究團(tuán)隊(duì)提供了海馬體行波的“鳥(niǎo)瞰圖”。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)該設(shè)備不僅可以檢測(cè)海馬體表面的神經(jīng)運(yùn)行傳播波，還有助于了解更多的海馬體新特征

同是加利福尼亞大學(xué)舊金山分校（UCSF）神經(jīng)學(xué)家也是該論文主要作者之一的喬納森克萊恩解釋道：“那些電極只為研究人員提供了海馬各層中的幾個(gè)單文件記錄位，幾乎不可能確切了解波是如何在整個(gè)結(jié)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)的。但是，由于其高密度的網(wǎng)格布局，小巧的尺寸（小于一角美元的硬幣）和適應(yīng)海馬表面的能力，LLNL開(kāi)發(fā)的設(shè)備為研究人員提供了鳥(niǎo)瞰，了解信號(hào)如何移動(dòng)和反向，它像水里的波浪一樣在地表之上。”

喬納森克萊恩說(shuō)：“這種新觀點(diǎn)幫助我們發(fā)現(xiàn)了行波在海馬中上下移動(dòng)。這條‘雙向路’與之前的神經(jīng)科學(xué)研究所顯示的‘一條雙向路’形成鮮明對(duì)比。這很重要，因?yàn)槲覀冋J(rèn)為這可能是海馬如何充當(dāng)信息和記憶的主要樞紐的基本機(jī)制。換句話(huà)說(shuō)，波在海馬中移動(dòng)的方向可能是生物標(biāo)志物，反映了不同回路參與和脫離時(shí)不同的神經(jīng)過(guò)程?！?/p>

當(dāng)一個(gè)意識(shí)清醒的患者試圖想出照片名字時(shí)，海馬體表面的行波始終以一種頻率流向結(jié)構(gòu)的證明。當(dāng)患者等候下一次測(cè)試時(shí)，行波反轉(zhuǎn)方向并流向結(jié)構(gòu)的背面。喬納森克萊恩說(shuō)：“因此，波的傳播方向可能會(huì)反映出不同的認(rèn)知過(guò)程，并且可能反映出信息在何處流動(dòng)以支持這些過(guò)程?！?/p>

LLNL研究人員Michael Triplett（左）和Jenny Zhou

LLNL研發(fā)并制作這些設(shè)備的時(shí)候，利用從人工視網(wǎng)膜項(xiàng)目開(kāi)始的十多年薄膜微電極陣列研究中獲得的經(jīng)驗(yàn)。設(shè)備工程師詹妮周介紹道：“LLNL的工程師經(jīng)過(guò)多年的測(cè)試運(yùn)行和設(shè)計(jì)迭代來(lái)評(píng)估設(shè)備的穩(wěn)定性和性能，從而改善了設(shè)備的處理步驟。談到我們的設(shè)備已經(jīng)在成功的患者中進(jìn)行了測(cè)試，并使研究人員能夠獲得新的信息以了解有關(guān)神經(jīng)活動(dòng)的更多信息，這絕對(duì)讓我感到高興?！?/p>

據(jù)悉，目前LLNL的工程師已將柔性薄膜設(shè)備上的電極數(shù)量增加了一倍，達(dá)到64個(gè)通道，并將陣列變成可穿透（或深度）的探頭，工程師們希望把通道數(shù)和密度增強(qiáng)至每個(gè)設(shè)備數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)電極，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)海馬體更高的感測(cè)和刺激研究。

LLNL生物工程中心主任尚卡爾桑達(dá)拉姆表示：“這些設(shè)備的精確數(shù)據(jù)與下一代數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，不僅可以進(jìn)一步加深我們對(duì)大腦內(nèi)部運(yùn)作的理解，而且可以導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)疾病的變革性治療?！?/p>