麻省理工学院的可植入 ImPULS 设备可以成为目前用于治疗帕金森症和其他疾病的电极的替代品。
ImPULS 设备包含超声波换能器和电极（金），封装在聚合物中。图片来源：研究人员提供
麻省理工学院的工程师们开发了一种细如发丝的超声波设备，通过提供精确、微创的深部脑刺激，有望在治疗神经系统疾病方面取得突破。这项名为 ImPULS 的技术可以取代传统的基于电极的方法，有望减少组织损伤并提高疗效。
深部脑刺激是通过植入电极向大脑传递电脉冲，通常用于治疗帕金森病和其他神经系统疾病。然而，用于这种治疗的电极最终会腐蚀并积聚疤痕组织，需要将其移除。
麻省理工学院的研究人员现在开发出了一种替代方法，利用超声波代替电来对大脑进行深度刺激，这种刺激由一根与人类头发一样粗细的纤维传递。在一项针对小鼠的研究中，他们发现这种刺激可以触发神经元释放多巴胺，而多巴胺位于大脑的某个部位，而多巴胺通常是帕金森病患者大脑中的主要刺激部位。
“通过使用超声波技术，我们可以创造一种刺激大脑深处神经元放电的新方法，”麻省理工学院媒体实验室副教授、新研究的资深作者 Canan Dagdeviren 表示：“这种装置比一根头发纤维还要细，因此对组织的损伤可以忽略不计，而且我们可以轻松地在大脑深处操纵这种装置。”
超声波刺激的优势除了提供一种可能更安全的深部脑刺激方法之外，这种方法还可以成为研究人员了解大脑如何运作的宝贵工具。
麻省理工学院研究生 Jason Hou 和麻省理工学院博士后 Md Osman Goni Nayeem 是该论文的主要作者，其他合作者包括麻省理工学院麦戈文脑研究所、波士顿大学和加州理工学院。该研究于 6 月 4 日发表在《自然通讯》杂志上。
大脑深处Dagdeviren 的实验室之前曾开发过可穿戴超声波设备，可用于通过皮肤输送药物或对各种器官进行诊断成像。然而，超声波无法从附在头部或头骨上的设备深入大脑。
“如果我们想进入深层大脑，那么它就不能只是可穿戴或可附着的了。它必须是可植入的，”Dagdeviren 说：“我们精心定制了该设备，使其侵入性最小，并避开深层大脑的主要血管。”
FDA 批准使用电脉冲进行深部脑刺激来治疗帕金森病症状。这种方法使用几毫米厚的电极来激活大脑黑质区中产生多巴胺的细胞。然而，一旦植入大脑，这些设备最终会开始腐蚀，植入物周围堆积的疤痕组织会干扰电脉冲。
脑部超声波的新设计和应用麻省理工学院的研究小组着手研究如何通过用超声波代替电刺激来克服其中的一些缺点。大多数神经元都有对机械刺激（如声波振动）有反应的离子通道，因此超声波可以用来激发这些细胞的活动。然而，现有的通过颅骨向大脑传送超声波的技术无法高精度地深入大脑，因为颅骨本身会干扰超声波并导致非目标刺激。
“为了精确调节神经元，我们必须深入研究，这促使我们设计了一种新型的超声波植入物，可以产生局部超声波场。”Nayeem 说，为了安全地到达大脑深处，研究人员设计了一种由柔性聚合物制成的细如头发的纤维。纤维的尖端包含一个鼓状超声波换能器，带有一个振动膜。当这个包裹着薄压电膜的膜被小电压驱动时，它会产生可以被附近细胞检测到的超声波。
Jason Hou说：“它对组织无害，没有暴露的电极表面，而且功率非常低，这预示着它很适合应用于患者。”
启示与未来方向在小鼠实验中，研究人员发现这种超声波装置（他们称之为 ImPULS（植入式压电超声波刺激器））可以激发海马神经元的活动。然后，他们将纤维植入产生多巴胺的黑质中，并发现它们可以刺激背侧纹状体中的神经元产生多巴胺。
“脑刺激一直是恢复大脑健康的最有效但最不为人所知的方法之一。ImPULS 使我们能够以精细的时空分辨率刺激脑细胞，并且不会像其他方法那样产生损伤或炎症。看到它在海马体等区域的效果，为我们开辟了一种全新的方式，可以向大脑中的目标回路提供精确的刺激。”波士顿大学心理和脑科学助理教授、波士顿大学系统神经科学中心教员、这项研究的作者史蒂夫·拉米雷斯 (Steve Ramirez) 说。
可定制和可扩展的技术该装置的所有组件都具有生物相容性，包括压电层，它由一种名为铌酸钾钠（KNN）的新型陶瓷制成。目前版本的植入物由外部电源供电，但研究人员设想，未来的版本可以由小型植入式电池和电子装置供电。
研究人员开发了一种微加工工艺，使他们能够轻松改变纤维的长度和厚度，以及压电换能器产生的声波的频率。这可以使设备针对不同的大脑区域进行定制。
“我们不能说该设备会对大脑的每个区域产生相同的效果，但我们可以轻松而自信地说，该技术是可扩展的，不仅适用于老鼠。我们还可以将其扩大，最终用于人类。”Dagdeviren 说。
结论和未来研究目标研究人员现在计划研究超声波刺激如何影响大脑的不同区域，以及这些设备在植入一年后是否能保持功能。他们还对加入微流体通道的可能性感兴趣，这可以使该设备既能输送药物，又能输送超声波。
研究人员表示，这种超声波设备除了有望成为帕金森氏症或其他疾病的潜在治疗方法外，还能成为帮助研究人员更多地了解大脑的有力工具。
Dagdeviren 表示：“我们的目标是将其作为神经科学界的研究工具，因为我们认为我们没有足够有效的工具来了解大脑。作为设备工程师，我们正在尝试提供新工具，以便我们能够更多地了解大脑的不同区域。”
来源：麻省理工学院
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