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癫痫影响着大约270万美国人，比帕金森病、多发性硬化症和肌萎缩性脊髓侧索硬化症（俗称葛雷克氏症）加起来还要多。超过一半的患者可以通过治疗控制癫痫发作，但将近三分之一的癫痫患者患有难治性癫痫，对现有的抗癫痫药物反应不佳。这些患者通常也无法从唯一的植入式设备——Cyberonics公司的迷走神经刺激器(VNS)中获益，该设备自1997年以来已获得美国食品和药物管理局批准用于治疗癫痫。
由于癫痫会导致反复、突发的癫痫发作，患有这种疾病的人将从一种能够检测到癫痫发作刚开始或最终在发作开始前预测并阻止其发生的疗法中受益匪浅。新一代植入式设备正在试图接替药物甚至VNS通常无法完成的任务，至少对于那些癫痫发作通常从大脑某个部位（癫痫灶）开始的人来说是这样。“闭环”设备旨在监测癫痫灶，检测表明癫痫发作开始的电活动模式，并在没有外部干预的情况下快速做出反应。这些反应可能包括电刺激、冷却或定向药物输送，所有这些都是为了中断活动并停止癫痫发作。
闭环设备因其反应性而被认为是癫痫治疗的新前沿。相比之下，VNS是一种开环设备，它刺激迷走神经——一对从脑干延伸到腹部的神经，以一致的计划而非响应于检测到的癫痫活动向大脑传递轻微的电脉冲（减轻癫痫的电活动）。癫痫闭环设备的概念源于心脏领域，借鉴了植入式除颤器，这些除颤器监测心脏并响应事件提供刺激。
响应性神经刺激
到目前为止，只有一种闭环设备进入了人体试验：NeuroPace公司的响应性神经刺激系统(RNS)，一种带有两个导线的电刺激植入物，每个导线包含四个电极，放置在大脑的癫痫灶处。RNS检测表明癫痫发作开始的电活动，并提供直接电刺激以中断活动并使该区域恢复正常。该设备以手术方式放置在头骨的某个部分，当电池需要更换时，可以通过门诊手术进行访问，并且患者和其他人感觉不到——所有这些对于患者和医生来说都是强大的设计优势。该植入物目前正在寻求 FDA 批准，它还记录全天大脑中的电活动信息以供以后审查。RNS 具有用于远程患者监控的基于笔记本电脑的探针接口。
RNS试验的结果（测试植入物与药物结合使用）好坏参半：大约50%的患者的癫痫发作频率减少了一半左右。“对于一个要永久性地将设备植入头骨，并在大脑上安装电极的患者来说，这正是 RNS 所需要的，你会希望它能消除大部分或全部癫痫发作，但这并不是大多数患者的结果，” John Miller 说，他是华盛顿大学医学院西雅图港景地区癫痫中心的负责人。 Miller 说，提高该设备有效性的可能方法可能包括改进患者选择、改进电极放置或改进 RNS 的检测过程，以便它能够更早地检测到癫痫活动。
闭环电刺激方面的工作也在波士顿的医学与创新技术整合中心进行，研究人员正在有效地尝试通过开发一种非植入式附加系统来将 VNS 转变为闭环设备，以检测早期癫痫活动并自动触发 VNS 以做出响应。VNS 配备一个治疗磁铁腕带，如果佩戴者感到癫痫发作即将到来（一种称为先兆的感觉），则可以刺激该设备，但并非每个人都能够在先兆开始后身体能够这样做。CIMIT 系统实现了该过程的自动化，一旦通过脑电图和心电图读数检测到癫痫发作开始，就会激活 VNS。
冷却它
闭环研究的另一个关键领域是局部冷却。在这里，一个植入物在通过感知癫痫灶处的大脑温度升高（这可能略早于异常电活动开始）来检测到癫痫发作的开始后，会迅速冷却相关区域以阻止该事件。与癫痫灶相关的升温使得热检测和冷却成为一种潜在的有前途的技术。局部冷却研究的一个中心是堪萨斯大学医学中心，在那里，神经学教授 Ivan Osorio 与一个国际研究伙伴合作，在美国能源部的资助下设计了一个原型植入物。包括耶鲁大学和明尼苏达大学在内的其他地点也在进行冷却方面的研究。
“我认为冷却是最有希望的方法，”Miller 说，他与一位华盛顿大学的同事领导的冷却研究合作。“如果可以找到一种特定的冷却温度，可以防止癫痫发作，但不会损伤大脑或干扰正常的大脑功能，那么就可以始终将癫痫灶周围的大脑区域保持在该温度，这样就不必检测癫痫发作以应用该疗法。”
靶向药物输送
闭环设备的第三种可能的运行模式将使用对流增强药物输送(CED)。 CED涉及通过植入的导管将阻止癫痫发作的药物直接输送到大脑组织的特定区域；CED的概念旨在避免口服给药并使其弥漫在血液中以到达大脑而产生的全身性副作用。
然而，CED 最终可能在设定的输注计划中比与响应性的自动化癫痫检测系统相关联更有用。“我们目前对 CED 如何用于癫痫的理解是，患者将定期向癫痫大脑区域输注长效抗癫痫药物，”加州大学戴维斯分校的神经学主席 Michael Rogawski 说，他的实验室正在与位于不列颠哥伦比亚省的生物制药公司 MedGenesis Therapeutix 合作开发一种用于癫痫的植入式 CED 设备。“癫痫控制可能会持续数月，”他说。“与必须在瞬间检测和输送药物的设备相比，这种方法大大简化了技术挑战。”
深部脑刺激
对于电刺激，一些患者也会发现持续发射的开环设备效果更好——例如 VNS，或美敦力的用于癫痫的深部脑刺激(DBS)植入物，FDA 现在正在审查该植入物。类似于该公司广泛用于帕金森病的 DBS 技术，用于癫痫的 DBS 放置在大脑内，并持续刺激丘脑前核区域，该区域有助于控制皮质的电兴奋性。
与通常需要明确癫痫灶的闭环设备不同，DBS 可用于治疗癫痫发作似乎一次性吞噬整个大脑或大部分大脑的患者。“如果你看看那些患有非常难以定位的弥漫性癫痫疾病的患者，他们每天都会出现许多癫痫发作，而且非常痛苦——如果你甚至可以在其中一些患者中控制一些癫痫发作，你就为家庭和患者做了很大的好事，”耶鲁大学医学院神经外科主任和癫痫外科项目主任 Dennis Spencer 说。“我们认为 DBS 将开辟一条治疗之路。”
闭环
用于癫痫的闭环技术面临着几个障碍。怀疑论者指出，脑外科手术存在重大风险，而且植入设备的益处并不总是大于这些危险。人们还担心可能出现假阳性——检测到的电活动结果并非癫痫发作。“如果干预确实导致大脑功能短暂中断，这对患者来说是不希望的，”Miller 说。“例如，如果受影响的区域调解语言，这个人可能会在说话能力上出现短暂的中断。”
研究人员还承认，在像癫痫这样多变的疾病中，永远不会有单一的解决方案，例如单独的冷却、刺激或药物输送。“我们可能需要使用一种以上的模式来完全控制癫痫，”Osorio 说。“但是所有这一切都取决于实时检测和量化癫痫发作的能力。”
尽管第一代闭环设备的设计才刚刚开始，但第二代设备的理论开发已经在进行中。由于癫痫患者永远不知道癫痫发作会在何时何地发生，第二代闭环设备的目标将是找到一种在癫痫发作开始之前预测癫痫发作并进行干预以防止其发生的方法。“你可以检测到癫痫发作，但你仍然检测得太晚，无法真正发挥重要的治疗作用，”Spencer 说。“预测是我们真正希望把希望寄托的地方。”