今年春天，南加州大学凯克医学院的科学家们打开了一扇了解大脑的新窗口。

39岁的Jared Hager在一次滑板事故中伤了他的大脑。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，只留下部分器官被皮肤和结缔组织覆盖。南加州大学凯克医疗中心的一个团队使用一个定制的假体重建了他的头骨，假体中包含一个透明的窗户。

这个窗口是与加州理工学院的同事合作设计的，使研究人员能够以一种非凡的新方式评估海格的大脑功能。当哈格在玩电子游戏和弹吉他时，研究小组利用功能性超声波成像技术收集了高分辨率的大脑数据。这种类型的成像显示了患者在执行任务时发生的大脑变化，这些信息对于评估和治疗创伤性脑损伤至关重要。

“功能性超声成像不能通过颅骨或传统的假体来完成，”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查尔斯·刘（Charles Liu）说，他领导了这个研究小组。“这是医生第一次能够通过窗户对清醒的病人进行无创检查。窗口期使我们能够监测大脑功能并以以前不可能的方式指导治疗，”他说。

长期以来，脑损伤和疾病的有效治疗方案一直难以捉摸。这在一定程度上是因为大脑——思维、感觉、运动和情感的指挥中心——太复杂了，难以理解。观察和研究大脑也很有挑战性，尤其是在活人身上。

Liu在南加州大学神经恢复中心的团队，专门研究开发新的策略来恢复那些受伤或患病的神经系统的神经功能，是南加州大学致力于解决脑疾病带来的巨大挑战的众多研究小组之一，从创伤性脑损伤和癫痫到阿尔茨海默病和其他形式的痴呆症。使用先进的技术和方法，他们正在寻找革命性的方法，为我们的灰质之谜带来新的清晰度。

绘制大脑地图

阿尔茨海默病是最神秘的脑部疾病之一，也是美国面临的最大医疗挑战之一。它影响了近700万美国人，预计到2060年这一数字将翻一番，目前还没有已知的治疗方法。

这种疾病的特点是大脑发生了两个标志性的变化：由一种叫做β -淀粉样蛋白的蛋白质构成的斑块和由一种叫做tau的蛋白质构成的缠结。科学家们还没有发现是什么导致了这些蛋白质的积累。一些人推测，血脑屏障（一种阻止血液中有害物质进入大脑的膜）的功能障碍和大脑血管的炎症可能为蛋白质的积累奠定了基础。

亚瑟·托加是眼科、神经病学、精神病学和行为科学、放射学和工程学的教务长教授，也是凯克医学院神经科学的Ghada Irani主席，他开发了尖端的成像技术，为大脑的这些部分提供了新的视角。

在南加州大学马克和玛丽史蒂文斯神经成像和信息学研究所的神经成像实验室（LONI）， Toga和他的研究小组编写了用于磁共振成像（MRI）的射频脉冲程序，以观察血脑屏障和大脑血管周围充满液体的空间。

托加说：“这些创新技术确实提高了我们观察大脑组织和大脑功能最细微特征的能力，这些特征可能受到这种疾病的影响。”

在Toga的团队致力于创建现存最详细的神经系统地图的同时，他们也在LONI的图像和数据档案中添加了内容，这是Toga和他的合作者开发的一种工具，可以促进全球数千名研究人员之间的实时数据共享。托加认为，这种跨机构合作对于解决阿尔茨海默氏症之谜至关重要。

他是健康和衰老大脑研究-健康差异（HABS-HD）的主要研究者之一，这是五家机构共同努力解决阿尔茨海默病研究缺乏多样性的问题。西班牙裔和非洲裔美国人比非西班牙裔白人患阿尔茨海默病的风险要高得多，但我们对这种疾病的了解大多是基于从后者那里收集的数据。HABS-HD已经从代表性不足的群体中招募了数千名参与者，并正在生成世界上最大的描述这些群体的数据存储库。

“通往发现的道路是由数据铺成的，”Toga说。

预防药片

多亏了图像和数据档案馆，第一种减缓阿尔茨海默病进展的药物——lecanemab——去年上市了。

制药公司利用档案中的数据开发药物并设计临床试验。这些试验表明，针对并清除大脑中异常β -淀粉样蛋白沉积物的lecanemab，可以减缓早期阿尔茨海默氏症患者记忆和思维能力下降的速度，使其下降幅度降低约30%。

凯克医学院（Keck School of Medicine）神经学教授、阿尔茨海默病治疗研究所（Alzheimer’s Therapeutic Research Institute）创始主任保罗•艾森（Paul Aisen）认为，30%的改善是不够的。“我们非常专注于寻找最好的药物来做得更好，”艾森说，他领导了一项研究，评估治疗——甚至预防——这种疾病在大脑中的潜在病理的药物。

Lecanemab被批准用于确诊为阿尔茨海默病症状最轻阶段的患者。艾森的研究小组正在研究这种药物在那些大脑开始出现阿尔茨海默病变化但尚未出现任何症状的人身上的潜在用途。艾森说：“我们相信，如果我们在β -淀粉样蛋白开始积聚时将其移除，而大脑仍能正常运作，我们将取得比将疾病进展减缓30%更好的效果。”

该研究所的另一个项目侧重于将lecanemab与针对tau构成的脑缠结的药物结合使用。通过同时针对tau和β -淀粉样蛋白沉积，艾森的团队旨在更有效地遏制这种疾病。艾森认为，在十年内，这种药物的进步可能会使阿尔茨海默病成为过去。他认为，未来临床医生将从中年开始监测每个人，确定哪些人有患病风险，并开具药物，防止蛋白质在大脑中异常积累。他说：“这就像在中年时检查你的胆固醇并治疗高水平的胆固醇，这样你就不会在晚年患上心脏病和中风。”“我们认为我们可以预防阿尔茨海默病，就像他汀类药物（降低胆固醇的药物）大大降低了心脏病发作的发生率一样。”

定制的大脑健康

当艾森设想对所有人进行常规的阿尔茨海默氏症预防时，凯克医学院南加州大学个性化大脑健康中心的研究人员正将他们的预防工作集中在已知有高患病风险的人群身上：那些携带一种相当常见的基因变异APOE ε4的人。

大约四分之一的人携带该基因的一个副本，这增加了他们患阿尔茨海默氏症的风险。那些拥有两个这种基因副本的人——占人口的2%到3%——患这种疾病的风险是常人的8到12倍。

凯克医学院神经学和老年学教授、该中心主任侯赛因·亚辛说：“当人们进行基因检测，发现自己携带APOE ε4基因时，他们常常感到害怕，不知道该怎么办——尤其是如果他们的家庭成员已经患有痴呆症。”“我们正试图通过提供资源来帮助患者尽其所能来预防这种疾病，从而填补这一空白。”

该中心有两个相互联系的组成部分：一个为每位患者开发个性化饮食和运动干预措施的诊所，以潜在地减缓认知能力下降，另一个研究部门专注于开发新药。亚辛说：“研究和临床之间的这种桥梁是相当新颖的。”

该中心转化方法的一个例子是对ω -3脂肪酸在APOE ε4携带者的大脑健康中的作用进行多管齐下的调查。ω -3脂肪酸存在于鲑鱼和核桃等食物中。成像研究表明，APOE ε4携带者的大脑在阿尔茨海默氏症发生前几年就缺乏omega-3。Yassine启动了一项临床试验，以测试APOE ε4患者早期补充omega-3是否能减缓疾病进展。他还与凯克医学院（Keck School of Medicine）放射学研究教授陈凯（Kai Chen）合作，发明了一种追踪大脑中omega-3脂肪酸的新成像技术。

我看见你了。

Liu、Toga和Yassine使用的高分辨率成像技术帮助研究人员以前所未有的方式将脑组织的复杂性可视化。然而，人眼本身也有局限性，会影响对大脑图像的解读。南加州大学伦纳德·戴维斯老年学学院的老年学副教授安德烈·伊里米亚（Andrei Irimia）正在利用人工智能突破这些限制。

Irimia和他的同事使用一种称为深度神经网络的人工智能技术来分析MRI脑部扫描。人工智能模型允许Irimia的团队在大脑扫描中识别人眼可能无法检测到的细微模式。

这项技术的一个应用是评估生物脑年龄，这是阿尔茨海默病和其他形式的痴呆症发展的一个重要因素。虽然患这些神经退行性疾病的风险随着年龄的增长而增加，但并不是每个人的大脑都以同样的速度衰老。伊里米亚解释说：“与久坐不动的人相比，一个非常健康、生活方式健康的人，大脑萎缩的速度可能较低，而且相对要慢得多。”

他指出，传统的大脑衰老方法，包括通过大脑皮层变薄来判断大脑年龄，可能无法提供完整的画面。

伊里米亚说：“通过识别大脑解剖结构中大量变化的模式，这些深度神经网络可以比我们基于人类已经确定的测量方法更好地估计大脑年龄。”

脑电

在南加州大学的凯克医学中心，Liu和他的同事们植入了透明的头骨假体，数字技术正在被整合到大脑本身，以帮助那些大脑和脊髓损伤的人恢复功能。

Liu的团队与加州理工学院和加州大学欧文分校的同事合作，正在开发脑机接口，以帮助截瘫患者恢复腿部感觉并再次行走。这些接口在大脑的电信号和病人穿着的可以帮助运动的仿生紧身衣（又名“机器人外骨骼”）之间提供了双向通信链接。

病人用意念控制外骨骼的运动。植入大脑的电极记录下协调运动的电脉冲，然后将其转化为控制机器人服装的命令。病人不仅会动，他们还能感觉到运动。“当机器人外骨骼移动时，病人能感觉到每一步，因为大脑的关键区域受到刺激，”刘说。

在该中心，可植入大脑的设备也被用于癫痫治疗。响应性神经刺激（RNS）植入物监测癫痫发作开始的大脑部分的波，检测可能导致癫痫发作的不寻常的电活动，并在几毫秒内提供小的电刺激爆发，以“阻止癫痫发作”，凯克医学院临床神经学教授，南加州大学综合癫痫项目医学主任和南加州大学神经恢复中心联合主任Christianne Heck说。

凯克医疗中心是世界上第一个将fda批准的RNS设备植入癫痫患者体内的医疗中心，为全球所有脑计算机技术的批准树立了一个重要的先例。在对RNS进行了近20年的研究后，赫克认为，这些反应性大脑设备有望用于治疗中风等其他神经系统疾病，并推动整个神经科学的发展。

海克说：“RNS是了解大脑活动的一个很好的窗口，它有很大的潜力让我们了解大脑一部分到另一部分之间的相互联系有多复杂的基本问题。”

无论南加州大学的研究人员打开的窗口是字面上的还是比喻上的，他们不仅照亮了大脑的内部运作——他们还定义了脑科学的下一个前沿。