未来，大脑扫描背包将神经科学带入现实世界

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近日，科学家发明了一种背包，可以追踪和刺激人们日常生活中的大脑活动。这一进展可以使研究人员了解大脑在实验室外是如何工作的，以及如何在现实环境中监视帕金森氏病和创伤后应激障碍等疾病。

参与这项工作的威尔·康奈尔医学大学(Weill Cornell Medicine)的神经生物学家Timothy Spellman表示，这项技术是便携式神经科学设备的“一个非常棒的展示”。他说，这种背包及其广泛的工具套件可以拓宽神经科学研究领域，以研究人体运动时的大脑。

通常，实验中扫描大脑时需要占用大量空间和资金，比如功能磁共振成像(fMRI)扫描仪可以检测到大脑各个区域的活动，其大小仅相当于一辆大卡车，其价格可能超过一百万美元。而且患者必须在机器中静止约1个小时，以确保扫描清晰可读。

像经颅磁刺激(TMS)这样刺激大脑的方法(通常用于治疗严重的抑郁症)也不便于移动，患者必须在实验室中直立站立大约30分钟，同时一个大线圈通过头皮传递电磁脉冲以电激活神经元。

为了优化研究技术，加州大学洛杉矶分校(UCLA)的科研人员成功开发出可移动式深层脑记录与刺激平台。

它的工作原理如下：一根杆从一个约4公斤重的背包中蜿蜒而出，停在病人头皮顶部附近，与大脑深处的神经植入物通信。背包中装有监测器，可从植入物中实时获取数据。根据实验的不同，被试还可以穿戴其他设备来测量大脑和身体的活动，如带有电极的监测表面脑活动的头戴式脑电图帽，一对追踪眼动的虚拟现实护目镜，以及其他监测心跳和呼吸频率的装置等。所有这些信息可以与来自植入物的信号同步化。

该团队已经在实验室测试中证明，背包可以记录大脑各个脑区的活动并对其进行刺激，且无需被试保持静止。它还能够收集与fMRI相同的数据，并以类似于TMS的方式刺激大脑。不再受限于实验室环境，科学家可以研究人在运动和与他人互动时的大脑功能，而不必躺在fMRI扫描仪中。

研究人员为了验证该脑扫描包可以在人运动时进行很好的工作，进行了同时测量一个自由活动的人的神经活动和其他行为变量的实验。如下图所示，(A)中参与者完成空间导航任务(使用壁挂式相机拍摄的照片)。

图(B)从运动捕捉数据中提取的示例参与者在20秒钟步行过程中(从a点到b点)的轨迹的俯视图。沿着路径从a到b的黑点表示参与者在1、2…20 s之后的位置。还显示了房间坐标系和定义的速度矢量。图(C)使用头部坐标系(定义了水平和垂直角度)跟踪眼睛的运动。为了获得相对于房间坐标系的绝对眼睛运动，需要从运动捕获数据中提取头部运动，然后将其用于将眼睛的头部运动转换为3D的房间坐标系。

不过，只有安装神经植入物的患者才能使用该设备。全球约有15万人装备有神经植入物，医生们可治疗、监测包括帕金森氏病、癫痫和强迫症在内的各种疾病。

研究作者UrosTopalovic表示，研究团队已经发布扫描包软件供所有科学家使用，希望其他研究人员也可以使用该技术来研究各类神经精神疾病，而不再受实验室或医院床位的制约。

参考

Wireless Programmable Recording and Stimulation of Deep Brain Activity in Freely Moving Humans

https://www.sciencemag.org/news/2020/09/brain-scanning-backpack-brings-neuroscience-real-world