1) 癫痫
一种装置输送靶向药物以镇静过度活跃的神经元
多年来，大型临床试验一直采用所谓的“脑深部电刺激”来治疗癫痫患者：植入式电极可以检测癫痫发作并用电脉冲来阻止它。最新数据显示，该技术在五年后可将癫痫发作减少69%。
匹兹堡大学的生物医学工程师Tracy Cui希望进一步提高这一统计数字。她的团队设计了一种电极，可以同时传递电脉冲和抗癫痫药物。“我们知道药物要施加在哪里，”Cui说，“所以不需要使用很多药物。”
为了制造该装置，Cui的团队将金属电极浸泡在含有两种关键成分的溶液中：一种称为单体的分子和药物CNQX。用电击打溶液会使单体连接在一起形成一条称为聚合物的长链。由于聚合物带正电，它会吸引带负电的CNQX，从而使工程师获得目标产品：一种涂有浸润药物薄膜的电极。
研究人员随后将电极放在盛有大鼠神经元的培养皿中。再次电击破坏了薄膜中的静电吸引力，导致聚合物释放其药理载荷——附近的细胞也随之安静了它们不规律的放电模式。Cui说，她的团队已在活体大鼠身上成功重复了该实验。接下来，她希望在癫痫大鼠身上测试电极，然后开始漫长的人体使用监管审批过程。
人体血脑屏障保护大脑免受所有物质的侵害，除了最小的分子，这使得大多数药物无效。因此，Cui说，这种药物输送机制可以治疗其他脑部疾病。电极可以装载任何种类的小分子药物——例如多巴胺或止痛药——
使其可用于治疗帕金森病、慢性疼痛，甚至药物成瘾。
2) 痴呆症
电极阵列刺激心智活动
痴呆症是最为人所知且令人沮丧的脑部疾病之一。它损害了许多构成我们人性化的基本认知功能：工作记忆、决策、语言和逻辑推理。阿尔茨海默病、亨廷顿病和帕金森病都会导致痴呆症，它也可能与多发性硬化症、艾滋病以及正常的衰老过程有关。
南加州大学的生物医学工程师Theodore Berger希望通过植入大脑前额叶皮层（一个对复杂认知至关重要的区域）的装置来帮助人们延缓痴呆症的症状。他和维克森林浸信会医疗中心的同事在一项涉及五只猴子和一项记忆游戏的研究中测试了该装置。
首先，团队植入了一个电极阵列，以便能够记录前额叶皮层第2/3层和第5层神经元的活动，并刺激第5层。这些区域之间来回传递的神经信号与注意力和决策有关。然后，团队训练猴子玩电脑游戏，在游戏中，它们看到一张卡通图片——例如卡车、狮子或调色板——并在90秒后从图片面板中选择相同的图像。
科学家们最初分析了猴子做出正确匹配时两个皮层区域之间发送的电信号。在后来的实验中，团队在猴子做出决定之前让阵列发出相同的信号。动物的准确性提高了约10%。这种效果在受损的大脑中可能更为显著。当猴子摄入可卡因后玩同一个游戏时，它们的表现下降了约20%。但电刺激将它们的准确性恢复到了正常水平。
痴呆症涉及比大脑这两个区域更复杂的电路。但是，一旦科学家们更清楚地了解痴呆症的确切工作原理，就有可能结合使用多个植入物来分别靶向特定区域。
3) 失明
基因疗法将细胞转化为感光细胞，恢复视力
数百万人在视网膜感光细胞因疾病受损后失去视力。这些被称为视杆细胞和视锥细胞的细胞在视觉中起着关键作用：它们将接收到的光转化为大脑解释为图像的电脉冲。
近年来，已有几家公司开发了绕过受损细胞的电极阵列植入物。一个微处理器将来自摄像机的信息转换为电脉冲，刺激视网膜；因此，临床试验中的盲人患者能够区分物体，甚至阅读非常大的字体。但植入式阵列有一个很大的缺点：它们只刺激少量视网膜细胞——约10万个中有60个——这最终限制了一个人的视觉分辨率。
密歇根州RetroSense公司正在开发的基因疗法可以替代数千个受损的视网膜细胞。该公司的技术靶向视网膜中含有神经节细胞的那一层。正常情况下，神经节细胞将来自视杆细胞和视锥细胞的电信号传输到大脑。但RetroSense插入了一种基因，使神经节细胞对光敏感；它们接管了感光细胞的工作。到目前为止，科学家们已在啮齿动物和猴子身上成功测试了这项技术。在对大鼠的研究中，基因疗法使动物能够看到足够好的边缘，以便在靠近平台时能检测到平台边缘。
该公司计划于明年启动该技术的首次人体临床试验，共有九名患有视网膜色素变性疾病的受试者。与植入电极阵列的手术不同，注射基因疗法的过程只需几分钟，仅需局部麻醉。RetroSense首席医疗官Peter Francis表示：“来自神经节细胞的视觉信号可能不是以他们习惯的方式编码的。但很可能会发生的是，他们的大脑会适应。”
4) 瘫痪
脑机接口控制肢体，同时感知触觉
去年，涉及脑植入物的临床试验为脊髓严重损伤患者带来了巨大希望。两名瘫痪患者想象着拿起一杯咖啡。电极阵列实时解码这些神经指令，并将其发送到机械臂，机械臂将咖啡递到他们嘴边。
但是，要精确地移动肢体，大脑还需要触觉反馈。杜克大学的生物医学工程师Miguel Nicolelis现在已经证明，脑机接口可以同时控制运动并在虚拟现实中传递触觉——至少在虚拟现实中是这样。
在这项实验中，Nicolelis的团队在猴子的大脑的两个区域植入了电极：控制运动的运动皮层，以及负责解释外部世界触觉信号的附近的体感皮层。然后，猴子玩了一个电脑游戏，它们通过操纵杆，最终通过简单地想象运动来控制一个虚拟手臂。手臂可以触摸三个外观相同的灰色圆圈。但每个圆圈都有不同的虚拟“纹理”，会向猴子的体感皮层发送不同的电信号模式。猴子学会了选择产生奖励的纹理，这证明了植入物既发送又接收神经信号。
今年，一项在巴西进行的研究将测试10到20名脊髓损伤患者使用该植入物控制外骨骼的能力。Nicolelis，巴西足球的狂热爱好者，为他的团队设定了严格的时间表：他创立的非营利性联盟“行走起来项目”（Walk Again Project）计划为一名瘫痪男性配备一个机械外骨骼，并带他参加2014年在圣保罗举行的世界杯，届时他将踢出开球。
5) 失聪
干细胞修复受损听觉神经，改善听力
在过去的25年中，超过30,000名听力损失患者接受了电子植入物，该植入物取代了耳蜗——内耳中将声波转化为电信号的蜗牛状器官。该装置充当麦克风，接收环境中的声音并将其传输到听觉神经，听觉神经再将其传递到大脑。
但是，耳蜗植入物对10%因听觉神经损伤而导致严重听力损失的患者无效。幸运的是，对于这部分患者，一群英国科学家找到了一种使用干细胞修复听觉神经的方法。
研究人员将人类胚胎干细胞暴露于生长因子，这些生长因子能促使它们分化为听觉神经元的祖细胞。然后，他们将约50,000个这些细胞注射到听觉神经受损的沙鼠的耳蜗中。（沙鼠常被用作听力损失模型，因为它们的听觉范围与人类相似。）移植三个月后，约有三分之一的原始听觉神经元得到了修复；一些似乎形成了连接到脑干的突起。动物的听力平均提高了46%。
该技术将在数年后才能在人体上进行试验。一旦试验开始，研究人员表示，它不仅有可能帮助那些神经受损的人，还有可能帮助那些听觉神经需要修复才能接受耳蜗植入物的更广泛听力障碍患者。
本文最初发表于2013年3月刊。
