对于全世界 5000 万癫痫患者来说，日常生活可能就是纯粹的恐惧。我开车时会发作吗？我给宝宝洗澡时会晕倒吗？一些癫痫患者很幸运能得到预警，比如看到奇怪的光线，尝到奇怪的味道，或者听到奇怪的声音。这些先兆让他们能够为大脑中的一场风暴做好准备，这场风暴会导致抽搐、肌肉痉挛和意识丧失。其他人说他们的狗能感觉到即将发作。然而，对于绝大多数癫痫患者来说，从未有过任何预警。而且，对于 1250 万以上的癫痫患者来说，即使每天服用大量的抗癫痫药物也无法控制病情。
“我感觉自己就像一条被拴着的狗，”39 岁的 Franklin Audis 说，他在凤凰城一家癫痫病房住了七天，期间一直连接着脑电图监测仪。Audis 期待着芯片植入能够提供癫痫发作预警的那一天：“如果能自动启动药物治疗就好了。”
凤凰城巴罗神经学研究所一家特殊观察病房的研究人员表示，癫痫患者能够抵御疯狂神经放电的那一天正在迅速到来。这家病房的大多数患者每天都会发作。护士站的标牌上写着请访客不要盯着看。每个人头上都缠绕着电线。每个人都持续连接着脑电图（EEG）监测仪。这里弥漫着一种恐惧的气氛，每个人都在等待下一次发作。尽管如此，他们的发作情况为日益增长的重要数据奠定了基础。
亚利桑那州立大学的生物工程师 Leonidas Iasemidis 和佛罗里达大学的神经学家 Chris Sackellares 利用混沌理论，在脑电图读数中发现了预示即将发作癫痫的隐藏信号。他们说，这些信号具有足够的预测性，可以开发出编程的芯片植入物，以便及时触发定制的药物或神经电击疗法来检测癫痫发作。“如果你能提前 20 分钟看到癫痫发作，你就有时间采取措施，”专攻儿科癫痫的巴罗神经学研究所神经学家 John F. Kerrigan 说。
Sackellares 一直对癫痫在不造成永久性脑损伤的情况下导致大脑暂时混乱的倾向着迷。在 20 世纪 80 年代中期，他担任密歇根大学癫痫项目主任时，他请当时还是研究生 Iasemidis 帮忙解决一个谜团：大脑是如何在一个瞬间正常运作，然后在几秒钟后被一股强大的电活动所控制，接着又毫无障碍地恢复正常的？“我一直在阅读有关混沌理论的知识，”Sackellares 回忆道，“我想到，混沌系统的一些特性可能可以解释癫痫发作。”
混沌理论家在那些看似受随机因果关系支配的系统中寻找数学秩序的隐藏迹象。天气是一个典型的混沌系统。混沌理论家认为，蝴蝶扇动的翅膀可能引起一阵微风，从而导致世界另一端的暴雨。
为了寻找癫痫的“蝴蝶翅膀”，Iasemidis 和 Sackellares 开始仔细研究从前往大学医院进行长期监测的癫痫患者那里收集的数十份脑电图。脑电图测量的是神经元放电以相互通信的电活动，其复杂性并不高。大约有二十几个电极被放置在头皮上或直接植入大脑。在正常清醒的大脑中，描记图以一种悠闲但混乱的方式上下跳动，有点像心率监测仪上的读数。但当癫痫发作时，神经活动会突然进入一种剧烈的节奏。当 Iasemidis 将脑电图数据通过混沌理论数学公式进行过滤时，之前隐藏的模式逐渐显现出来。
对于每个电极，Iasemidis 计算了一个称为李雅普诺夫指数的混沌度量。数学很密集，但基本上该指数给出了一个数值，表示系统在任何给定时刻的混沌程度。混沌水平随时间上升或下降的程度可以在简单的图表上绘制出来。在正常大脑中，神经元以自己的速度随机放电；一个电极的脑电图线不会遵循与另一个电极相同的模式。但是，Iasemidis 发现，在癫痫患者的大脑中，随着大脑各部位的神经元开始与癫痫最终将开始的部分（称为“病灶”的一组神经元）同步放电，混沌的程度会降低。研究人员称这个过程为“动力学同步”，他们现在意识到这个过程可以在发作前几天就开始。
Iasemidis 说，当癫痫发作即将来临时，“大脑不再作为一个多任务、多处理的机器运作。”想象一下，你的电脑不再同时播放 CD 并运行文字处理程序、电子邮件、互联网浏览器以及其他五个任务，而是只能一遍又一遍地玩同一款纸牌游戏。Iasemidis 和他的同事们认为，病灶会向大脑的其他部分发送连续的脉冲，敦促它们采用它的行为。有时，大脑的其余部分会做出反应。Iasemidis 说：“这有点像有人一直在敲门，偶尔门会打开。当它打开时，就会发生同步。”发作停止后，神经元会逐渐恢复各自的节奏，恢复正常活动，秩序又会变回混沌。Iasemidis 说，正是癫痫发作的巨大电脉冲才使一切恢复正常，并重新启动大脑。
Iasemidis 在 1988 年发现癫痫发作前阶段时，立即意识到这是预测癫痫发作的关键。但设计一个能够自动识别脑电波活动变化的算法，他花了很多年。“你看不到脑电图上的模式。人眼无法识别，”他说。此外，他面临着证明他发现的并非只是高级事后诸葛亮的挑战。“我们早在 1988 年就确定，这些前兆会在每次癫痫发作前出现。但这并不是真正的预测。”他将这个过程比作预测地震。“假设你发现了一个在地震前经常发生的迹象，一个前兆。然后你写一个程序让它运行，看看它能否捕捉到下一次地震，或者错过它。如果它没有给出很多错误的警告，那就是预测，”他说。“直到大约两年前，我们才确信我们能用癫痫做到这一点，当时我们知道我们可以分析从许多患者那里收集到的多日长周期数据，并获得大部分真阳性结果。”
Sackellares 和 Iasemidis 于去年 10 月获得了该技术的专利。使用该算法分析回顾性的脑电图数据，他们能够识别出 90% 的正在发生的癫痫发作，平均提前 75 分钟。然而，就像地震一样，真正的考验将在实时进行。
图右的脑电图记录了生物工程师 Leonidas Iasemidis 使用混沌理论分析的第一次癫痫发作。打印输出底部的尖峰模式标记着癫痫发作的开始。
研究人员将在几个月内知道该方案是否奏效。Iasemidis 已将该程序安装在凤凰城的三个监测设备上：巴罗神经学研究所、梅奥诊所当地分部以及退伍军人事务部医院。到夏天，它将处理来自受监控患者的脑电图数据流。“计划是会有一种警报——可能是一个灯或一个铃声——告诉医生和护士癫痫发作即将来临，这样他们就可以在病人发作时陪在他们身边，”Iasemidis 说。
Iasemidis 和 Sackellares 希望在短短四年内就能获得一种可以直接植入癫痫患者大脑的预测芯片。Iasemidis 说：“你可以拥有电极，通过无线方式将数据传输到记录仪，记录仪会分析信号并预测何时可能发生癫痫发作。然后可以将其连接到一个泵，该泵仅在需要时自动释放少量药物。你可能只需要非常少量的药物，因为混沌系统的好处是，一个非常小的干预就能使其脱离原有的轨迹。”
或者，芯片可以控制一个神经刺激器。刺激器已用于通过电击颈部神经来减轻严重的癫痫发作。在更远的未来，类似的芯片或许能够控制其他脑部疾病，如梦游、睡眠呼吸暂停、夜惊症和惊恐发作。Sackellares 的大胆梦想是“我们将彻底改变癫痫治疗。我们不再需要用高浓度的药物治疗，甚至不再依赖患者服用药物。我们将能够自动将大脑重置为正常状态。”
有关探索混沌与癫痫之间联系的努力的更多信息，请参阅大脑动力学生物工程研究伙伴关系页面：http://brp.mbi.ufl.edu。
亚利桑那州立大学生物工程系网站链接到 Iasemidis 的页面，网址为 www.eas.asu.edu/~bme。
