定制的脑图可以改善癌症手术和癫痫治疗

想象一下描述一张长在草地上的橡树的照片。现在想象一下，当你的一部分头骨被暂时移除，一组传感器直接放置在你的大脑表面时，你正在描述同样的图像。这些传感器正在记录这些电信号从你大脑中发出的位置。目标是创建一个定制的脑图，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切除肿瘤的物理行为可能造成的损害。

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的大脑功能与大脑的特定区域联系起来的地图吗?

是的，现代医学有地图;但人类的大脑并不完全相同。此外，人类大脑经常会自我重组，以应对因肿瘤生长等原因造成的损伤。这种适应性使大脑具有弹性，但也会使肿瘤切除计划更加困难。这就是传感器的用武之地。当这个人说话和移动时，传感器在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建立一个在即将到来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，该团队专注于提高柔性传感器垫的性能，这些传感器垫直接停留在大脑表面，而不会刺穿大脑表面。

这些新的传感器网格也被用于改善癫痫治疗。对于一些癫痫患者，治疗方法包括手术，暂时切除部分颅骨，以便对大脑表面直接施加温和的电刺激。加州大学圣地亚哥分校开发的传感器网格允许手术团队在应用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，并可能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6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。这两个人在一个混合器上建立了联系，该混合器组织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可能通过工程解决的机遇。

快进到2021年，当Dayeh听Halgren描述对更好的脑表面传感器的需求时，他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工程学院和加州大学圣地亚哥分校健康学院之间的动态合作。该团队已经创建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。

在回顾他们正在进行的合作时，Halgren强调了有一个工程合作伙伴可以将一个项目从概念带到临床应用是多么不寻常，也是多么受欢迎。

事实上，Shadi Dayeh和他的团队已经通过多种方式改进了这些传感器系统，他们的工作已经被用于手术室。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。

Dayeh说，虽然其他地方开发的前几代传感器在治疗患者时很有用，但“它们对大脑活动的采样不足”，他指出，你不能只是把更多现有的传感器放在更近的地方，或者缩小现有的传感器技术。“我们已经转向先进的材料科学，使我们能够进行小型接触，可以非常紧密地堆叠在一起。它们在记录这些大脑信号时表现出低噪音或更高保真度。”

对于肿瘤切除和癫痫治疗，一个更紧密的网格传感器允许外科医生建立一个更高分辨率的，自定义的大脑地图。

除了更高的传感器密度，Dayeh和他的团队创建的网格比其他传感器网格更灵活。这种灵活性使得传感器网格能够更紧密地跟随人脑表面的波动，这是很重要的。更近的接触可以提高信号的读取。

“我已经和Dayeh教授合作了大约6年，开发先进的神经接口设备。他的实验室真正的特别之处在于他真正做的是从实验室到床边的工作，”加州大学圣地亚哥分校神经外科的住院医生丹尼尔·克利里在最近一次展示Dayeh实验室的视频采访中说。

“(Dayeh)使用最先进的工程材料和电子技术设计设备，然后我们能够将这些设备在动物身上进行测试，看看它们的实际工作效果如何，对设备进行修改，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。从设备直接到诊断和治疗的进步有一个管道，”Cleary说。

达耶强调了这种伙伴关系的价值。

Dayeh说:“Daniel Cleary一直是加州大学圣地亚哥分校工程和医学转化工作的关键成员。”

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在长期而不仅仅是在手术期间嵌入直接与大脑、脊柱或延伸到整个身体的神经连接的设备。让瘫痪的人不仅能活动四肢，还能感觉到他们所抓握的东西的系统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最近参加了与加州大学圣地亚哥分校生物伦理学家Michael Kalichman的对话，后者主持了一系列名为“探索伦理学”的公开讲座。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”。

卡利奇曼说:“像这样的新技术前景广阔，但成功取决于与公众就他们的担忧和需求以及最佳应对这些挑战的战略进行有效对话。”

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应用于临床所面临的挑战。观看直播视频流的人们向Dayeh提出了一些具体的问题，比如直接作用于神经系统可能会发生什么。

虽然许多问题都太具体了，工程师无法通过视频电话回答，但公众的强烈兴趣激励Dayeh努力确保在这项工作继续进行时，每个人都能参与进来。例如，病人的声音和观点是治疗的关键部分2020年nsf资助的研讨会他幽。研讨会重点讨论了直接与大脑、脊柱或更广泛的神经系统相互作用的装置(称为“神经调节装置”)的临床转化的当前进展和差距。研讨会特别关注了大学和初创公司所做的工作，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，目标是让更广泛的临床医生能够使用他们正在开发的脑表面传感器网格。在此过程中，Dayeh打算让他的工作尽可能具有包容性。“我认为大多数成功的方法都遵循在设计系统时让最终用户参与的模式。我们这里就是这样做的。”

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