“骨架钥匙”可以释放大脑：脑刺激个性化医学的新领域

研究代表了在为整个神经系统和精神疾病实现新疗法方面迈出的重要一步。

数百万患有神经疾病和精神疾病（例如抑郁症，成瘾症和慢性疼痛）的患者对治疗有抵抗力。实际上，所有严重抑郁症患者中约有30％对任何药物或心理疗法根本没有反应。简而言之，针对这些疾病的许多传统治疗形式可能已达到极限。我们从这里去哪里？

USC维特比工程学院的安德鲁和厄纳·维特比电气与计算机工程早期职业主席Maryam Shanechi领导的研究将在自然生物医学工程上发表，这为有前途的替代方法铺平了道路：个性化的深部脑刺激。这项工作代表了在为整个神经系统和精神疾病实现新疗法方面迈出的重要一步。

到目前为止，个性化深部脑刺激的挑战一直是人脑本身。精神障碍在每个患者的大脑中可能表现出不同的表现。同样，每个患者的大脑活动及其症状是否以及如何对刺激做出反应也可能非常不同。这使得很难了解给定患者的刺激效果，或者如何随时间改变刺激剂量（即幅度或频率）以使其适应患者的需求。

Shanechi和她的团队找到了一种方法，可以通过开发新的刺激波形并创建新的机器学习模型来预测电刺激会对个体大脑在多个大脑区域的活动产生何种影响。他们与纽约大学神经科学教授Bijan Pesaran合作，在实际的大脑刺激实验中证明了该模型的成功。

为此，他们设计了两种工具：一种新颖的电刺激波，用于绘制大脑活动图；另一种是电波。和新的机器学习技术，可以从刺激过程中收集的大脑数据中学习地图。Shanechi说：“我们的波随时间随机改变其振幅和频率，使我们能够看到并预测大脑对各种刺激剂量的反应。”就像万能钥匙可以打开任何一扇门一样，该波可以应用于任何个体的大脑，并提供有关其对刺激的反应方式的个性化地图。为了检验他们的假设，研究人员将其波应用到大脑的四个不同区域。在每种情况下，他们都能够首次预测多个区域大脑活动的结果。

这意味着医生可能很快就能通过改变刺激的幅度和频率，逐案并实时地个性化“剂量”的深部大脑刺激。可以将其视为增加或减少药丸中毫克数的大脑刺激形式。对于患有精神疾病（如无法治疗的抑郁症或焦虑症）的人而言，影响是巨大的。

Shanechi和她的团队先前已经开发了机器学习技术来解码精神疾病的症状，例如大脑活动产生的情绪。现在，凭借新的能力可以更好地预测刺激如何在个体基础上影响大脑活动，他们寻求将他们的发现结合到针对精神障碍的个性化疗法上。“通过将这两个盒子放在一起，我们希望建立闭环脑机接口，通过根据大脑活动实时跟踪症状并预测刺激变化如何改变活动来调节电刺激疗法的剂量因此出现了这些症状。” Shanechi说。

参考：杨宇晓，乔少宇，奥米德·G·萨尼，伊萨克·塞迪略，布伦娜·费伦蒂诺，比安·佩萨兰和玛莉安·M·谢内奇，“直接电刺激过程中大规模脑网络动态响应的建模和预测”，2021年2月1日，自然生物医学工程。DOI：
10.1038 / s41551-020-00666-w

作者：该研究的作者是杨宇晓，乔少宇，奥米德·萨尼，伊萨克·塞迪略，布伦娜·费伦蒂诺，比扬·佩萨兰和玛利亚姆·沙内奇