Nature子刊:人工智能和脑电刺激结合,改善人类大脑功能

2021
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生物世界
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 7901637018152420 19071637018152536 撰文 | nagashi 编辑 | 王多鱼 排版 | 水成文 

人的智慧,源于大脑。记忆、语言和情绪归根结底都源自于大脑的一系列电生理活动。作为意识的载体,大脑使得人类在感知世界的同时,对外界的诸事诸物做出即时性的判断和反应。 但遗憾的是,越精密的系统往往有着越沉重的损伤代价,而且这种损伤往往更难以修复。对于癫痫精神分裂症抑郁症等精神疾病,目前临床上的治疗手段极为有限,对不同患者的治疗效果也十分不一致。 近日,哈佛大学医学院附属麻省总医院的研究人员在 Nature 子刊 Nature Biomedical Engineering 上发表了题为: Closed-loop enhancement and neural decoding of cognitive control in humans 的研究论文。 在这项研究中,研究团队 将人工智能与有针对性的脑电刺激相结合,表明精确定向的电刺激可靠地增强与精神疾病相关的特定人类心理功能,而且大脑胶囊结构中有特定的子部分对认知增强特别有效 。最后,他们证明闭环算法作为控制器的效果是随机刺激的两倍。 9411637018152599 精神疾病是一种不可忽视的疾病,会对社会和家庭造成严重的医疗负担。临床研究表明,脑电刺激可以有效地治疗精神疾病,但遗憾的是,精神障碍的临床神经刺激试验的结果好坏参半,这很大程度上得归因于人类对大脑回路的认知还远远不够。 在这项研究中,研究团队识别出一个重要的大脑区域——内囊 (internal capsule) ,它是位于丘脑、尾状核和豆状核之间的白质板。研究人员发现,对精神疾病患者的内囊使用微量电刺激,能改善病人的心理功能。 93711637018152746 认知冲突和控制过程的综述及研究现状 这些发现来自于麻省总医院对12名因癫痫症接受脑部手术的病人进行的一项人体研究。该手术将数百个微小电极放置在患者大脑各处,以记录其活动并识别癫痫发作的来源。有趣的是,此前的研究表明,内囊这一大脑区域负责负责认知控制,即从一种思维模式或行为转换到另一种行为的过程,在大多数精神疾病中这一部分都受到了损害。 该论文的通讯作者 Alik Widge 教授表示:“举个例子,比如抑郁症患者,他们常常无法摆脱一种‘被困住’的消极想法。如今我们发现大脑内囊在精神疾病中是如此重要,因此,找到一种改善它的方法可能是治疗这些疾病的一种强有力的新方法。” 68301637018152860 

深度电极(左)和刺激靶(右)的示意图 基于此,研究团队开发了一种人工智能算法,以便在刺激后跟踪患者的认知控制能力,既可以从他们的行为,也可以直接从他们的大脑活动。每当患者在认知控制的实验室测试中表现较差时,控制器方法就会增加刺激。 Alik Widge 教授表示:“这个系统可以读取大脑活动,当病人遇到困难时从中‘解码’,然后对大脑施加小脉冲电刺激,帮助他们克服困难。我经常用电动自行车作比喻。当有人踩踏板有困难时,自行车会感知并帮助他。我们就是做了类似的东西。” 78911637018153007 

闭环内囊刺激有效提高认知控制能力 值得注意的是,一些患者除了癫痫外还有明显的焦虑。当给予认知增强刺激时,他们的焦虑得到了改善,因为他们更能够将他们的想法从痛苦转移到他们想要的东西上。这表明该方法可以用于治疗严重和药物耐药性焦虑症、抑郁症或其他疾病的患者。 目前,研究团队正在准备临床试验。由于提高认知控制的目标已经被FDA批准用于脑深部刺激,因此,这项研究可以用现有的工具和设备完成——一旦试验正式批准,这种治疗可以很快转化为当前的医疗实践。 33801637018153149 

认知状态的神经解码 总而言之,这项研究将人工智能算法和脑部电刺激疗法相结合,通过精准定向的、针对大脑内囊结构的电刺激,可靠地改善了癫痫患者的认知控制,并可以应用于焦虑症、抑郁症或其他精神疾病的治疗。 正如 Alik Widge 教授所说的:“这可能代表了治疗精神疾病的一种全新方法。 我们可以给病人一种工具,让他们控制自己的思想,而不是试图抑制症状 。就像让他们重新坐在驾驶座上,让他们自主掌控自己的方向。” 

论文链接: https://www.nature.com/articles/s41551-021-00804-y  

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关键词:
大脑,患者,刺激,认知

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