新的成像方法追蹤大腦難以捉摸的網(wǎng)絡(luò)

了解信號(hào)的來(lái)源和網(wǎng)絡(luò)作為大腦的功能是大腦研究的中心目標(biāo)。現(xiàn)在，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的工程師們已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)系統(tǒng)，用于對(duì)正常和異常大腦信號(hào)的起源和路徑進(jìn)行高密度腦電圖成像。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系主任 Bin He 及其同事正在研究美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院的一項(xiàng)核心計(jì)劃，即通過(guò)推進(jìn)創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù) (BRAIN) 進(jìn)行大腦研究。

該小組在高密度腦電圖方面的工作，在Nature Communications雜志上報(bào)道，朝著實(shí)現(xiàn) BRAIN 計(jì)劃的一個(gè)中心目標(biāo)邁出了重要的一步：“產(chǎn)生一個(gè)革命性的新的大腦動(dòng)態(tài)圖像，這是第一次顯示單個(gè)細(xì)胞和復(fù)雜的神經(jīng)回路如何在時(shí)間和空間上相互作用。”換句話(huà)說(shuō)，開(kāi)發(fā)一種觀察大腦如何做它所做的事情的方法。

“幾十年來(lái)，腦電圖 (EEG) 一直被用于追蹤大腦信號(hào)，”NIBIB 生物電磁技術(shù)項(xiàng)目主任王樹(shù)敏博士解釋說(shuō)。“何博士和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種更強(qiáng)大、高密度的腦電圖版本，它可以跟蹤比以前更大的大腦區(qū)域的大腦信號(hào)。然后使用人工智能來(lái)識(shí)別這些更強(qiáng)的信號(hào)起源和傳播的位置大腦，非常準(zhǔn)確。”

研究小組在癲癇患者身上測(cè)試了高密度腦電圖系統(tǒng)。個(gè)人經(jīng)歷由大腦活動(dòng)的錯(cuò)誤脈沖引起的癲癇發(fā)作，稱(chēng)為致癲癇區(qū)。許多患者的癲癇發(fā)作可以通過(guò)藥物控制。對(duì)于那些對(duì)藥物有抵抗力的人，手術(shù)切除致癲癇區(qū)是一種臨床選擇。高密度腦電圖準(zhǔn)確識(shí)別癲癇源的能力將大大改進(jìn)腦部手術(shù)，以有效地只切除問(wèn)題區(qū)域并保留周?chē)哪X組織。

該團(tuán)隊(duì)在 36 名接受術(shù)前測(cè)試的癲癇患者身上測(cè)試了他們的方法，稱(chēng)為 FAST-IRES，用于時(shí)空迭代重新加權(quán)邊緣稀疏性。FAST-IRES 非侵入性大腦記錄是在幾天內(nèi)使用特殊的高密度腦電圖陣列獲得的。FAST-IRES 是非侵入性的這一事實(shí)非常重要，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的術(shù)前測(cè)試需要侵入性 EEG，這對(duì)于查明致癲癇區(qū)域是必要的，但會(huì)增加感染、并發(fā)癥和成本的風(fēng)險(xiǎn)。

在 36 名患者中，F(xiàn)AST-IRES 方法分析了 1000 多個(gè) EEG 峰值，并發(fā)生了 86 次癲癇發(fā)作。然后使用 FAST-IRES 方法的人工智能部分分析高密度記錄，并與標(biāo)準(zhǔn)侵入性腦電圖術(shù)前測(cè)試和手術(shù)結(jié)果進(jìn)行比較。

FAST-IRES 方法在識(shí)別患者致癇區(qū)的位置和范圍方面極其準(zhǔn)確，這已通過(guò)手術(shù)數(shù)據(jù)得到證實(shí)。“我們的結(jié)果清楚地表明，F(xiàn)AST-IRES 可以使用非侵入性高密度腦電圖頭皮記錄高精度地識(shí)別致癲癇區(qū)，”He 說(shuō)。梅奧診所研究的合作者正在考慮在未來(lái)實(shí)施該系統(tǒng)。

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