患者大脑的物理模型帮助研究人员治疗神经系统疾病和疾病

脑模型是一个具有挑战性的问题的创造性解决方案：如何在不对实际患者进行测试的情况下为患者调整电磁场?

经颅磁刺激 (TMS) 是一种电磁研究应用，有可能改变我们治疗偏头痛、抑郁症、强迫症甚至精神分裂症和帕金森病等疾病的方式。

机械和核工程副教授 Ravi Hadimani 博士领导着一个研究小组，他们寻求使用 TMS 来激发或抑制大脑神经元以改变特定的大脑功能并治疗这些疾病。该团队包括来自 VCU Health 的教职员工，包括神经学教授 Mark Ba​​ron 医学博士和神经外科教授 Kathryn Holloway 医学博士，以及哈佛医学院精神病学副教授 Joan Camprodon 医学博士等外部合作者。

“大脑模型是第一步，”Hadimani 说。“我们的最终目标是 3D 打印一个由生物材料支架和打印的神经元制成的大脑，这些神经元会产生类似于我们大脑中神经元的刺激反应。这个模型的行为将比目前的大脑模型更真实。我们未来的工作涉及与有能力的研究人员合作在生物材料支架上打印实验室培养的神经元，或者在任何支架上直接制造人工神经元的研究人员。”

TMS 中使用的线圈负责产生用于治疗的电磁场。单独的线圈旨在治疗特定疾病，但电流强度、脉冲数量和线圈方向等附加设置对每位患者都是独一无二的。在实际患者身上细化这些设置是不可行的。计算机建模也效率低下，因为创建头部模型和从大脑复杂结构的 MRI 扫描中运行模拟不是自发的。

Hadimani 和他的团队开发了大脑模型作为解决这个问题的新方法。2018 年，第一个模型由 Hadimani 的博士之一 Hamzah Magsood 创建。学生。大脑模型是根据 MRI 扫描获得的规格设计的患者大脑的物理模型。大脑模型构造中使用的材料旨在复制不同大脑区域的导电性和电磁渗透性。

结果是一种表示，当连接到电极时，为校准 TMS 线圈的研究人员提供瞬时反馈。

材料科学、电磁学和机械原型的元素共同创造了每个大脑模型。该过程从 MRI 开始，它作为研究人员设计定制模型的地图。这是一个谨慎的过程。与皮肤、肌肉和骨骼等具有明显特征的身体其他区域不同，大脑的许多区域之间存在细微的差异。

研究人员必须仔细区分这些区域，以创建准确的大脑模型，以模拟患者的皮肤和头骨以及大脑的灰质和白质。

一种聚合物和碳纳米管的复合材料，具有与人脑相似的电学特性，是脑模型的基础。增材制造，通常称为 3D 打印，用于根据患者的 MRI 为不同的大脑区域创建外壳。该外壳成为聚合物和碳纳米管溶液的模具。一旦大脑模型在模具中成型，它就会被放置在溶解外壳的溶液中，只留下大脑模型。由于碳纳米管，大脑模型的导电部分是深色的，非导电部分颜色较浅。

电极很容易插入大脑模型，并在施加来自 TMS 线圈的电磁场时提供反馈。然后可以在对患者进行治疗之前对场的强度、脉冲数量和线圈方向进行调整。

Hadimani 和高级生物医学工程本科生 Wesley Lohr 最近获得了大脑模型的专利，形成了现实解剖模型 (RAM) 模型。

RAM Phantom 的目标是将大脑模型技术推向不断增长的神经调节市场，其中还包括经颅直流电刺激和深部脑刺激。该公司还将帮助开发更准确地模拟人脑特性的先进大脑模型。

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