研究人员开创了一种新的脑成像技术，通过病人头骨上的透明“窗口”

南加州大学凯克医学院(Keck School of Medicine of USC)和加州理工学院(Caltech)的研究人员首次在患者的头骨上设计并植入了一个透明的窗口，然后使用功能性超声成像(fUSI)通过窗口收集高分辨率的脑成像数据。他们的初步发现表明，这种敏感、非侵入性的方法可以为患者监测和临床研究开辟新的途径，也可以为更广泛的大脑功能研究开辟新的途径。研究参与者在一次滑板事故中遭受了创伤性脑损伤。

　　

南加州大学凯克医学院(Keck School of Medicine of USC)和加州理工学院(Caltech)的研究人员首次在患者的头骨上设计并植入了一个透明的窗口，然后使用功能性超声成像(fUSI)通过窗口收集高分辨率的脑成像数据。他们的初步发现表明，这种敏感、非侵入性的方法可以为患者监测和临床研究开辟新的途径，也可以为更广泛的大脑功能研究开辟新的途径。

凯克医学院临床神经外科、泌尿外科和外科学教授、南加州大学神经修复中心主任Charles Liu博士说:“这是第一次有人通过颅骨置换应用功能性超声成像，让一个清醒、行为正常的人执行任务。”“通过窗口非侵入性地提取这类信息的能力非常重要，特别是因为许多需要颅骨修复的患者已经或将发展为神经系统残疾。此外，如果功能信息有助于诊断和治疗，可以通过手术将‘窗口’植入完整头骨的患者。”

39岁的研究参与者贾里德·哈格(Jared Hager)在2019年的一次滑板事故中遭受了创伤性脑损伤(TBI)。在紧急手术中，海格的一半头骨被切除，以减轻对大脑的压力，只留下大脑的一部分被皮肤和结缔组织覆盖。由于流感大流行，他不得不等了两年多才用假体修复了他的头骨。

在此期间，Hager自愿参与了Liu、Jonathan Russin医学博士(USC神经修复中心外科副主任)和另一个加州理工学院团队进行的一项名为fPACT的新型脑成像研究。这项实验技术是在软组织上进行的，但只能在像海格这样的颅骨缺失部分的患者的大脑上进行测试。当植入假体的时候，Hager再次自愿与Liu和他的同事合作，Liu和他的同事设计了一个定制的颅骨植入物来研究fusi的效用，这是无法通过颅骨或传统植入物来完成的，同时修复Hager的损伤。

在重建手术之前，研究小组使用假体(一种用于测试医学成像设备的科学装置)和动物模型测试并优化了fUSI脑成像参数。然后，他们从Hager那里收集了fUSI数据，同时他完成了手术前和透明植入物安装后的几项任务，发现窗口提供了一种测量大脑活动的有效方法。这项由美国国立卫生研究院部分资助的研究刚刚发表在《科学转化医学》杂志上。

功能性脑成像通过测量血流或电脉冲的变化来收集大脑活动的数据，可以为了解健康人群和神经系统疾病患者的大脑工作方式提供关键见解。但目前的方法，如功能性磁共振成像(fMRI)和颅内脑电图(EEG)留下了许多未解之谜。挑战包括低分辨率，缺乏便携性或需要侵入性脑部手术。fUSI可能最终会提供一种灵敏而精确的替代方案。

刘说:“如果我们可以通过患者的颅骨植入物提取功能信息，那就可以让我们更安全、更主动地提供治疗，”包括那些患有癫痫、痴呆或精神问题的TBI患者。

脑成像的新前沿

作为本研究的基础，刘与加州理工学院的米哈伊尔·夏皮罗博士和理查德·安德森博士合作多年，开发专门的超声序列，可以测量大脑功能，以及优化脑机接口技术，该技术可以转录来自大脑的信号来操作外部设备。

有了这些碎片，刘和他的同事在老鼠身上测试了几个透明的头骨植入物，发现由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成的薄窗口(类似于有机玻璃)产生了最清晰的成像结果。然后，他们与一家神经技术公司——长寿神经解决方案公司合作，为哈格尔定制了一个植入物。

在手术前，研究人员收集了fUSI的数据，而海格则做了两件事:在电脑显示器上解决“连点”难题，并用吉他弹奏旋律。植入物安装后，他们收集相同任务的数据，然后比较结果，以确定fUSI是否可以提供准确有用的成像数据。

“保真度当然下降了，但重要的是，我们的研究表明，它仍然足够高，可以使用，”刘说。“与其他需要将电极植入大脑的脑机接口平台不同，这种平台的采用障碍要小得多。”

fUSI可能提供比功能磁共振成像更好的分辨率，而且不像颅内脑电图，它不需要在大脑内植入电极。Russin同时也是凯克医学院神经外科副教授和南加州大学凯克医院脑血管外科主任，他说，这种方法也比那些方法便宜，并且可以为患者提供一些临床优势，而不是不透明的颅骨植入物。

他说:“我们做这些手术时的一个大问题是，植入物下面可能会形成血块，但有一个透明的窗口让我们更容易监测。”

完善功能性超声技术

除了更好地监测患者外，这项新技术还可以为TBI和其他神经系统疾病提供人群层面的见解。它还可以让科学家收集健康大脑的数据，并更多地了解大脑如何控制认知、感觉、运动和自主神经功能。

“我们的发现表明，我们可以用这种方法提取有用的功能信息，”刘说。“下一步是:我们想要什么具体的功能信息，我们可以用它来做什么?”

在新技术进行临床试验之前，fUSI和透明植入物都是实验性的。与此同时，研究小组正在努力改进他们的fUSI协议，以进一步提高图像分辨率。研究人员说，未来的研究还应该建立在这个早期的概念验证研究的基础上，通过测试更多的参与者来更好地建立fUSI数据与特定大脑功能之间的联系。

“贾里德是一个了不起的人，”刘说，他继续与研究参与者合作改进新技术，包括测量大脑血液流动的激光光谱学。“他的贡献确实帮助我们探索了新的领域，我们希望最终能帮助许多其他患者。”