英国皇家工程院《生物医学工程专题》之一：神经工程
按：英国皇家工程院（The Royal Academy of Engineering）于2011年3月发布了生物医学工程主题的研究与政策建议，包括医学成像、外科手术、模拟与培训、人工关节、心脏植入、神经工程、移动健康、医疗IT、再生医学9个主题。本文选取其中的神经工程主题进行简要介绍。
神经工程是生物医学工程分支学科之一，它是应用工程学技术，认识、修复、替换或改善神经系统的一门学科。神经工程学家致力于解决活体神经组织与非活性系统之间连接的设计问题。
神经工程需要各个学科的专业知识，如计算和实验神经科学、临床神经学、电气工程和信号处理等。需要特别注意的是活体神经组织的连接界面，需要整合自动化技术、神经机械学、计算机工程、神经组织工程、材料科学和纳米技术等多种元素。
神经工程主要着眼于通过神经系统和人造设备之间的直接相互作用，来恢复和提高人体的神经系统功能。目前已经有一些成功的临床方案，如通过植入深度脑刺激来控制帕金森患者的原发性震颤，刺激迷走神经来控制癫痫，植入人工耳蜗恢复深度失聪等。
1 神经修复技术
神经修复技术关注与不断开发神经修复设备，来修复、替代那些因受伤或疾病而受到损害的运动、感觉和认知能力。其中一个成功的例子就是植入人工耳蜗。这种设备由植入设备单元和外部设备单元组成。通过植入设备单元刺激听力神经，外部设备单元中的麦克风收集声音信息并加以处理，这种经过处理后的信号随后被传到植入设备单元，通过微电极阵列刺激听力神经。
2009年，全世界共有188,000人接受了耳蜗植入手术，其中大多数是儿童，主要分布在发达国家，但昂贵的设备、手术费和后期治疗费用使得发展中国家的人望而却步。
另一种神经修复技术的例子是深度脑刺激（DBS），包含一个被称为大脑起搏器的手术植入的医疗设备，用来向大脑指定的部位发送电脉冲信号。虽然DBS已经在诸多方面显示出了很好的疗效，但是最广为人知的还是用于帕金森病和原发性震颤的治疗。DBS本身并不能治愈帕金森症，但是它能有助于管理一些症状进而改善患者的生活质量。目前，DBS主要适用于那些药物不能够完全控制症状的患者或者用药后会产生严重副作用的患者。虽然关于DBS治疗的机理尚不清楚，但是DBS确实通过一种可控的方式直接改变了脑活力，并且与那些直接通过手术干扰治疗不相同的是，它的效果是可逆的。
2 工程学的贡献
与生物医学工程其他领域一样，神经工程也是一个高度交叉的学科，它需要工程学、生命和健康科学等各个学科的相互合作。神经工程的发展，需要培训各相关领域的专业知识，培养各领域的专家，主要包括：电气和电子工程、信号处理和系统建模等领域，同时也要培训计算机智能和机器学习等技术。因此需要整合生理学、神经解剖学、神经学、化学以及纳米技术等各方面的专业知识。神经工程的发展还依赖于生物医学工程的教学项目，培养具备基本技能的毕业生。
3 未来展望
一项正处于发展中并已经接近临床应用的技术，是使用功能电子刺激来控制人造假肢，使那些因脊髓损伤而破坏神经系统造成瘫痪的患者能控制假肢。其他领域包括通过视觉植入修复视觉损伤，以及通过大脑～计算机连接技术使得那些因中风、严重脑疾病和脊髓损伤导致交流能力丧失的患者恢复交流能力。
在神经修复方面，正在开展一项试图通过监测脑活动状况来提前预知颤抖发生的研究。这项研究的目的就是在必要的时候提供刺激，以避免颤抖发生。此项技术和另一项正在开展的癫痫症治疗研究有相似之处，后者的目标也是使用DBS技术在癫痫开始之间就启动刺激以防止癫痫发生。
脑干中风，脑或脊柱损伤和许多其他的肌肉疾病（如脊髓侧索硬化）是由于特定运动神经元衰退导致的，运动神经元衰退使肌肉不能够接受运动指令。神经工程学家已经在试图开发一种系统，该系统不再通过物理方法而是通过脑活动使患者与计算机直接交流。这种系统意味着提供了一种新的非肌肉通路依赖的交流方式，脑计算机界面（BCI）向计算机传递信息和指令。脑电图从头皮处测定脑活动，通过实时捕获脑活动，相关的测定就传递到非肌肉依赖的BCI。BCI系统需要有相对简单且并不昂贵的设备，这种设备也应该便于携带安装，在多数的现实环境中能够发挥功能，但这并不容易实现。
4 结论
神经工程将随着生物医学工程的不断发展而日益成熟。它着眼于广泛的神经退行性疾病并且也显示了很好的应用前景。同时，它也清晰地显示了多学科研究的好处，以及对于生命科学研究持续投资的重要性。开发新的神经工程技术并对其进行评估，之后通过多种合适的方式将其商业化，显然对此领域的持续投资将会带来新的商机。
整理自：
http://www.raeng.org.uk/societygov/policy/current_issues/biomedical_engineering/pdf/Neural_Engineering_Briefing_March_2011.pdf
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