定制的大脑图谱改善了癌症手术和癫痫治疗

想象一下，描述一棵橡树生长在草地上的照片。现在想象一下，当你描述同样的图像时，你的头骨的一部分被暂时移除，一个传感器网格直接放在你的大脑表面。这些传感器记录着这些电信号从你的大脑中发出的位置。目标是创建一个定制的大脑图，帮助手术团队尽可能多地切除脑肿瘤，同时最大限度地减少物理切除肿瘤造成的损害。

你可能会问:我们不是已经知道人体各部分的功能了吗大脑？我们不是已经有了将特定大脑功能与特定大脑区域联系起来的地图吗?

是的，现代医学有地图;但是人类的大脑并不相同。此外，人类的大脑经常会自我重组，以应对诸如肿瘤生长等因素造成的损害。这种适应性使大脑具有弹性，但也使计划切除肿瘤变得更加困难。这就是传感器的用武之地。当人说话和移动时，传感器就会运行手术团队可以识别出在执行这些动作时大脑中实际被激活的特定区域。这些信息可以帮助团队绘制出在即将进行的手术中要避免的区域地图。

加州大学圣地亚哥分校的一个由工程师、外科医生、神经科学家和医疗设备开发人员组成的团队正在共同努力，在脑肿瘤切除手术之前创建更好的定制地图。特别是，该团队专注于改善直接放置在大脑表面而不刺穿大脑表面的柔性传感器垫的性能。

这些新的传感器网格也被用于改善癫痫的治疗。对于一些癫痫患者，治疗包括手术，暂时切除部分颅骨，以便直接对大脑表面施加温和的电刺激。加州大学圣地亚哥分校开发的传感器网格允许外科团队在施加电刺激时记录大脑信号。在这一领域的进一步工作可能会导致更好的癫痫治疗，也许有助于发现癫痫的根本原因。

工程师和医生合作

加州大学圣地亚哥分校的工程师和医生之间的合作始于六年多前，当时电气工程教授Shadi Dayeh遇到了加州大学圣地亚哥分校健康中心的神经科学和放射学教授Eric Halgren。两人在一次联谊会上相识，该联谊是为了向加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的工程师介绍现有的医学挑战和机遇，这些挑战和机遇可能通过工程来解决。

时间快进到2021年，当Dayeh听到Halgren对更好的脑表面传感器的需求的描述时，他所感受到的火花已经发展成为加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院和加州大学圣地亚哥分校健康中心之间的动态合作。该团队已经创造了改进版本的传感器垫，可以在手术过程中直接从大脑表面读取信号。

回顾他们正在进行的合作，Halgren强调，有一个工程合作伙伴可以将项目从概念到临床应用，这是多么不寻常，也是多么受欢迎。

事实上，Shadi Dayeh和他的团队已经以多种方式改进了这些传感器系统，他们的工作已经在手术室中得到了应用。例如，该团队增加了传感器网格的大小，并增加了网格内单个传感器的密度。

虽然其他地方开发的前几代传感器在治疗患者方面很有用，但“它们对大脑活动的采样不足，”Dayeh说，他指出，你不能只是把更多现有的传感器放在一起或缩小现有的传感器技术。“我们已经求助于材料科学的进步，使我们能够制造出可以彼此紧密堆叠的小接触。在记录这些大脑信号时，它们显示出低噪音或更高的保真度。”

对于肿瘤切除和癫痫治疗，更紧密的排列网格传感器这样外科医生就可以建立一个更高分辨率的，定制的大脑地图。

除了传感器密度更高之外，Dayeh和他的团队创造的网格比其他传感器网格更灵活。这种灵活性使传感器网格能够更紧密地跟随人类大脑表面的波动，这一点很重要。更紧密的接触提高信号读数。

“我已经和Dayeh教授一起工作了大约六年，开发先进的神经接口设备。加州大学圣地亚哥分校健康中心神经外科住院医师丹尼尔·克利里(Daniel Cleary)在最近一次展示Dayeh实验室的视频采访中说:“他的实验室真正的特别之处在于，他真正从实验室到床边的工作。”

“[Dayeh]使用最先进的工程材料和电子设备设计设备，然后我们可以拿这些设备在动物身上进行测试，看看它们的实际工作情况，修改设备，然后将它们带入手术室。这真的很特别，因为它代表了真正的转化医学。从设备到诊断和治疗的进步有一条直接的管道。”

达耶强调了伙伴关系的价值。

“丹尼尔·克利里一直是加州大学圣地亚哥分校工程和医学领域转化工作的关键成员，”达耶说。

作为团队努力将技术进步转化为临床的一部分，Dayeh正在吸引更广泛的人群，他们可能有一天会选择植入——长期而不仅仅是在手术中——直接与大脑、脊柱或延伸到整个身体的神经相连接的设备。一些系统不仅能让瘫痪的人移动四肢，还能感知他们正在抓取的东西，这只是其中的一些可能性。

为了提高公众对这项工作的认识，Dayeh最近与加州大学圣地亚哥分校的生物伦理学家Michael Kalichman进行了一次对话，Michael Kalichman主持了一系列名为“探索伦理学”的公开演讲。他们的视频对话题为“神经调节:脑和脊髓疾病的诊断和治疗”。

他说:“像这样的新技术有着巨大的希望，但成功取决于与公众就他们的担忧和需求进行有效的对话，以及最好地应对这些挑战的战略。”

视频一开始，Dayeh总结了他的团队的工作，以及它如何适应更大的研究背景。Dayeh和Kalichman接着谈到了将这些技术转化为临床所面临的挑战。观看直播视频的人们向达耶提出了一系列具体的问题，比如直接作用于神经系统可能会有什么结果。

虽然许多问题过于具体，无法由工程师通过视频电话回答，但公众的强烈兴趣促使Dayeh努力确保每个人都参与到这项工作中来。病人的声音和观点，例如，是一个关键部分2020年nsf资助的研讨会他幽。研讨会的重点是直接与大脑、脊柱或更广泛的神经系统(称为“神经调节装置”)相互作用的装置的临床翻译的当前进展和差距。研讨会特别关注大学和初创企业正在开展的工作，旨在确定填补大学研究生态系统中已确定的空白所需的基础设施。

Dayeh和他的团队已经成立了自己的初创公司，目标是让更多的临床医生能够接触到他们正在开发的大脑表面传感器网格。在此过程中，Dayeh打算尽可能地保持他的工作的包容性。“我认为最成功的方法是在设计系统时让最终用户参与进来。我们在这里就是这么做的。”

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