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大量合法的科学 - 加上大量的科幻小说 - 讨论了“破解大脑”的方法。这真正意味着什么，大多数时候 - 即使在虚构的例子中 - 涉及手术，打开头骨以物理植入电线或设备进入大脑。
但这很难，很危险，而且可能致命。在不需要打开患者头骨的情况下与大脑一起工作会更聪明。神经系统疾病很常见，影响到全世界超过10亿人，无论是所有年龄，性别，教育和收入水平。我的神经工程团队的研究，作为生物工程学科更广泛努力的一部分，正致力于理解和缓解各种神经功能障碍，如多发性硬化症，自闭症谱系障碍和阿尔茨海默病。
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识别和影响头骨外部的大脑活动最终可以让医生在没有侵入性手术的情况下诊断和治疗各种衰弱的神经系统疾病和精神障碍。
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大脑内的无线连接
我的小组认为我们是第一个发现神经细胞相互沟通的新方法。众所周知，神经通过物理链路连接 - 或称为“有线”连接 - 其中一个神经细胞的轴突将电和化学信号发送到相邻细胞的树突。
我们的研究发现，神经细胞还通过无线方式进行通信，通过使用有线活动创建自己的微小电场，并感知相邻细胞产生的场。这创造了更多神经通路的可能性，并且可以帮助解释为什么在执行复杂任务期间大脑的不同部分如此快速地连接。
我们已经能够从头骨外部监测这些电场，有效地收听神经通信。我们希望这将有助于我们为多发性硬化损伤的神经找到替代的，健康的联系，或者重新平衡由于孤独症谱系障碍引起的神经活动，或者以特定的模式将主要神经元聚集在一起并恢复因阿尔茨海默病导致的长期记忆丧失。
具体来说，我们发现当大脑中的绝缘或有髓神经纤维活跃并沿其长度发送称为动作电位的信号时，沿其长度的特殊区域产生非常小的电场。发生这种情况的蜂窝区域称为Ranvier节点，就像可以发送和接收电信号的小型天线一样。
两种高度特化的结构 - 髓鞘或Ranvier节点 - 的任何破坏不仅导致神经功能障碍，而且周围的电场也会发生变化。
听神经
技术挑战涉及精确针对大脑的特定部分进行聆听。该设备必须接收来自人类头发直径大约几厘米深的区域的信号。
一种方法是在头骨上放置少量灵活的天线贴片，以创建我们称之为“大脑镜头”。通过比较几个贴片的读数，我们可以通过电子方式准确地瞄准神经。我们正在设计和试验超材料 - 在分子水平上设计的材料 - 特别擅长用作高精度天线，可以调谐以接收来自非常特定位置的信号。
没有痛苦，但潜在的巨大收益
通过监听神经之间的无线通信，我们可以识别大脑中电场指示存在问题的区域。神经活动的详细特征 - 或缺乏活动 - 可以提供关于大脑中发生的具体问题的线索。这些发现可能比现有方法更容易诊断潜在的医疗状况。
例如，看看一名患者的实际情况，一名38岁的女性，我们称之为“比安卡”，他们被诊断出患有多发性硬化症，这是一种大脑和脊髓的退行性疾病，没有治愈方法。 。多发性硬化症患者的免疫系统损害了Ranvier节点之间的髓鞘，导致大脑与身体其他部位之间的交流问题。这种损害从根本上改变了受影响神经的活动。
为了监测她的疾病进展，比安卡已经进行了脊椎检查，看她的脊髓液是否含有高水平的与MS相关的特定抗体。她还进行了MRI扫描，以显示脑髓受损的大脑区域，并将面临额外的测试，以确定信息流经她的神经系统的速度。
使用大脑镜头设备可以让医生监测Bianca的大脑，而不需要痛苦的脊柱穿刺和不舒服且耗时的MRI和CT扫描。有朝一日，比安卡可能会监控自己的大脑并将数据发送给她的专家进行评估。
没有药物和手术的治疗
此外，我们希望我们的方法可以为患者带来更容易的新疗法。目前，比安卡正在服用几种具有重大健康风险的药物，经常让她感到恶心和疲惫。她是众多想要尝试不同治疗选择的人之一。
这项工作计划不仅仅是确定她的大脑区域，电场指示不健康的状况。受计算机网络管理和高级数字网络的启发，我们正在开发一种方法，通过该网络管理和先进的数字网络可以在受损或中断的区域周围发出信号，我们正在开发一种方法，通过这种方法，我们的头皮补丁系
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每个受损的神经纤维通常是数千个中的一个，它们一起被包装成神经纤维束，其中相邻的神经纤维通常是健康的。我们的设备可以帮助识别有髓鞘损伤的部位，并在损伤点之前跟踪那些神经纤维，以获取他们未受干扰的信号。然后我们将使用脑透镜将互补电场传输到大脑中，将这些健康信号发送到髓鞘损伤周围的区域，以鼓励相邻神经纤维携带受损纤维无法传递的信息。
到目前为止，我们已经能够在临床研究实验室提供脑神经参数的超级计算环境中模拟这种方法。在接下来的几个月里，我们将构建并测试大脑镜片原型。聆听大脑并与之交流为医疗诊断和治疗提供了一套迷人的新功能，无需手术。
本文最初发表在Salvatore Domenic Morgera的The Conversation上。阅读原文。