美军方欲通过大脑植入修复伤兵心理功能

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《连线》杂志（ Wired Danger Room ） 凯蒂・德拉蒙德（ Katie Drummond ） 2010-5-7

供图：美国国家科学基金会（National Science Foundation ）

未来从伊拉克和阿富汗撤回美国的士兵中，估计有 10% 到 20% 的士兵遭受着创伤性脑损伤（ TBI ）之苦，这种脑损伤每年折磨着 170 万美国人。现在五角大楼正在开展一项革命性的倡议来改善这一局面：即大脑植入，一名研究者将大脑植入比喻为受损大脑灰质皮层的“替换零件”。

“目前当大脑受到什么创伤时，医学界能够发挥的作用十分有限，”克利须那・谢诺伊（ Krishna Shenoy ）告诉《连线》说。谢诺伊是美国斯坦福大学（ Stanford University ）电气工程与生物工程系副教授。“我们的目标就是理解大脑如何对创伤做出反应，然后能够做出改变。”

所以尖端的军事科学机构――美国国防部高级研究计划局（ DARPA ）支持这个项目就不足为奇了，这个项目被称为加速损伤恢复的重组和可塑性（ REPAIR ）。 5 月 6 日 ，军方宣布了一项为期两年的初步计划，计划提供 1490 万美元资助由斯坦福大学和布朗大学（ Brown university ）领导的 4 个研究所，联合开发脑芯片（ brain-chip ）项目。所有人员都算在内，这个项目将吸引 10 位教授以及他们的研究团队参与，研究领域涵盖神经科学、精神病学、大脑模拟专业，甚至包括半导体专业。

在理解大脑损伤方面他们已经取得了重大进展。科学家已能够创造出大脑活动的概念化数学模型，同时也能够记录大脑单个神经元细胞所激发的电脉冲信号；这都为深入理解这些神经元如何传递信息提供了基础。对这些知识的了解促进了神经义肢辅助设备（ neural-assisted prosthetic device ）的快速发展，这种设备由谢诺伊副教授与杰弗里・凌（ GeoffreyLing ）联合开发，杰弗里・凌也是美国国防部高级研究计划局 REPAIR 项目的项目经理。

谢诺伊说，但是专家们目前还无法做到的是，如何改变大脑的那些电脉冲信号以开启或者关闭大脑的信息回路。他的研究团队将会采用光遗传学（ optogenetics ）――一种需要发射光脉冲以实现精确触发神经活动的新兴技术――来开发一种可植入的创伤性脑损伤治疗设备。

“在实现这些之前，发射光进入大脑精确定位单个神经元的过程，就像用锤子拦截光束一样具有挑战性，”谢诺伊说。“我们现在正在做的工作是，用针点的方式精确定位单个神经元，同时这个神经元将依据提示信息的不同自然地改变自己的激活状态。”

这个项目开发的大脑植入体可能将由电极或者光纤组成，同时将被置入大脑表面。它们首先将读取大脑神经元的电信号，然后发送适当的光脉冲去刺激其他原本对神经元信号做出反应的大脑区域。这种植入体将作为那些被损伤或者被“截去”的大脑区域的替代物，使大脑能够正常地运转。

首先，谢诺伊和他的研究团队需要在老鼠身上进行光遗传学测试，最终需要在猴子身上进行测试，以便更好地理解不同的大脑区域如何相互作用。比如，一个大脑区域如何知道将哪一个信号发送给其他脑区。一旦这些脑区实现了这些功能，研究者希望能够开发出一种芯片，这种芯片基本上能够模拟那些脑区之间的相互作用，最终使植入体能够“读取 A 脑区的信号，然后绕过受损的 B 脑区，同时将信号传送到 C 脑区，”谢诺伊说。

    虽然美国国防部高级研究计划局的兴趣在于军事应用，但是这种植入体也将具有广泛的民用价值，包括帮助那些中风患者或者接受手术的人消除大脑创伤的风险。如果所有的项目都按计划进行的话，谢诺伊希望在四年之内能够在实验室动物身上进行成功植入。