发布时间：2024-07-05 17:21:55 栏目：精选百科
在首例此类研究中，南加州大学凯克医学院和加州理工学院 (Caltech) 的研究人员设计并植入了一个透明窗口，位于患者头骨内，然后使用功能性超声成像 (fUSI) 通过该窗口收集高分辨率大脑图像数据。他们的初步研究结果表明，这种灵敏、非侵入性的方法可以为患者监测和临床研究以及大脑功能研究开辟新途径。
“这是首次有人通过颅骨置换术在清醒且行为正常的人类身上应用功能性超声成像，” 凯克医学院临床神经外科、泌尿外科和外科教授、 南加州大学神经修复中心主任查尔斯·刘 (Charles Liu) 医学博士表示。“能够通过窗口无创地提取此类信息非常重要，特别是因为许多需要修复颅骨的患者已经或将会出现神经系统残疾。此外，如果功能信息有助于诊断和治疗，可以通过手术将‘窗口’植入颅骨完好患者体内。”
研究参与者是 39 岁的 Jared Hager，他在 2019 年的一次滑板事故中遭受了创伤性脑损伤 (TBI)。在紧急手术中，Hager 的半个头骨被切除以减轻大脑压力，只留下部分大脑仅被皮肤和结缔组织覆盖。由于疫情，他不得不等待两年多的时间才用假体修复头骨。
在此期间，Hager 自愿参与了 刘、 南加州大学神经修复中心外科副主任 Jonathan Russin 博士和加州理工学院另一个团队开展的一项早期研究，该研究针对一种名为fPACT 的新型大脑成像技术。 该实验技术已在软组织上进行，但只能在 Hager 这样缺少部分头骨的患者的大脑上进行测试。到了植入假体的时候，Hager 再次自愿与刘及其同事合作，他们设计了一种定制的颅骨植入物，以研究 fUSI 在修复 Hager 损伤时的实用性(无法通过颅骨或传统植入物完成)。
在进行重建手术之前，研究团队使用幻影(一种用于测试医学成像设备的科学设备)和动物模型测试并优化了 fUSI 脑成像参数。然后，他们在 Hager 完成几项任务时收集了 fUSI 数据，这些任务既包括手术前，也包括安装透明植入物后，他们发现该窗口提供了一种测量大脑活动的有效方法。这项研究由美国国立卫生研究院部分资助，刚刚发表在《科学转化医学》杂志上。
功能性脑成像通过测量血流或电脉冲的变化来收集脑活动数据，可以提供有关大脑如何运作的关键见解，无论是健康人还是患有神经系统疾病的人。但目前的方法，如功能性磁共振成像 (fMRI) 和颅内脑电图 (EEG)，仍有许多问题未得到解答。挑战包括分辨率低、便携性不足或需要进行侵入性脑外科手术。fUSI 最终可能提供一种灵敏而精确的替代方案。
刘教授表示：“如果我们能够通过患者的颅骨植入物提取功能信息，那么我们就能更安全、更主动地提供治疗”，包括对患有癫痫、痴呆或精神问题的 TBI 患者。
脑成像的新前沿
作为本研究的基础，刘多年来与加州理工学院的米哈伊尔·夏皮罗博士和理查德·安德森博士合作，开发出可以测量大脑功能的专门超声波序列，并优化脑机接口技术，将大脑的信号转录下来以操作外部设备。
将这些部件安装到位后，刘和他的同事在老鼠身上测试了几种透明颅骨植入物，发现用聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)(类似于有机玻璃)制成的薄窗口可以产生最清晰的成像结果。然后，他们与一家神经技术公司 Longeviti Neuro Solutions 合作，为 Hager 制造了一个定制植入物。
手术前，研究人员在 Hager 进行两项活动时收集了 fUSI 数据：在计算机显示器上解答“连点”难题和用吉他弹奏旋律。植入物安装后，他们收集了相同任务的数据，然后比较结果以确定 fUSI 是否能提供准确且有用的成像数据。
“当然，保真度会下降，但重要的是，我们的研究表明，它仍然足够高，可以使用，”刘说。“与其他需要将电极植入大脑的脑机接口平台不同，这种技术的采用障碍要小得多。”
fUSI 可能提供比 fMRI 更精细的分辨率，而且与颅内脑电图不同，它不需要在脑内植入电极。它还比这些方法便宜，并且可能为患者提供一些临床优势，而不是非透明颅骨植入物，Russin 说，他也是凯克医学院神经外科副教授和南加州大学凯克医院脑血管外科主任。
他说：“我们在进行这些手术时遇到的一个大问题是植入物下面可能会形成血栓，但有一个透明的窗口可以让我们轻松地监测血栓。”
完善功能性超声技术
除了更好地监测患者之外，新技术还可以提供有关 TBI 和其他神经系统疾病的人群层面见解。它还可以让科学家收集健康大脑的数据，并进一步了解大脑如何控制认知、感觉、运动和自主神经功能。
“我们的研究结果表明，我们可以用这种方法提取有用的功能信息，”刘说。“下一步是：我们想要什么具体的功能信息，我们可以用它做什么?”
在新技术进行临床试验之前，fUSI 和透明植入物仍处于实验阶段。与此同时，研究团队正在努力改进他们的 fUSI 协议，以进一步提高图像分辨率。研究人员表示，未来的研究还应在此早期概念验证研究的基础上，通过测试更多参与者来更好地建立 fUSI 数据与特定大脑功能之间的联系。
“贾里德是个了不起的人，”刘说，他正在继续与研究参与者合作改进新技术，包括测量大脑血流量的激光光谱法。“他的贡献确实帮助我们探索了新的领域，我们希望最终能帮助许多其他患者。”
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