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A prototype closed-loop brain–machine interface for the study and treatment of pain

伤害 扣带回前部 慢性疼痛 感觉系统 前额叶皮质 神经病理性疼痛 神经调节 光遗传学 体感系统 扣带皮质 刺激 心理学 医学 神经科学 中枢神经系统 认知 内科学 受体
作者
Qiaosheng Zhang,Sile Hu,Robert Talay,Zhengdong Xiao,David Rosenberg,Yaling Liu,Guanghao Sun,Anna Li,Bassir Caravan,Amrita Singh,Jonathan Douglas Gould,Zhe Chen,Jing Wang
出处
期刊:Nature Biomedical Engineering [Nature Portfolio]
卷期号:7 (4): 533-545 被引量:65
标识
DOI:10.1038/s41551-021-00736-7
摘要

Chronic pain is characterized by discrete pain episodes of unpredictable frequency and duration. This hinders the study of pain mechanisms and contributes to the use of pharmacological treatments associated with side effects, addiction and drug tolerance. Here, we show that a closed-loop brain–machine interface (BMI) can modulate sensory-affective experiences in real time in freely behaving rats by coupling neural codes for nociception directly with therapeutic cortical stimulation. The BMI decodes the onset of nociception via a state-space model on the basis of the analysis of online-sorted spikes recorded from the anterior cingulate cortex (which is critical for pain processing) and couples real-time pain detection with optogenetic activation of the prelimbic prefrontal cortex (which exerts top–down nociceptive regulation). In rats, the BMI effectively inhibited sensory and affective behaviours caused by acute mechanical or thermal pain, and by chronic inflammatory or neuropathic pain. The approach provides a blueprint for demand-based neuromodulation to treat sensory-affective disorders, and could be further leveraged for nociceptive control and to study pain mechanisms. A closed-loop brain–machine interface modulates sensory-affective experiences in real time in freely behaving rats by coupling neural codes for nociception directly with therapeutic cortical stimulation.
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