超声波进行深部脑刺激 治疗帕金森病新方法

麻省理工学院的工程师们发明的可植入脉冲装置可能成为目前用于治疗帕金森氏症和其他疾病的电极的替代品。

　　

深部脑刺激，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已经开发出一种替代方法，用超声波代替电来进行深部脑刺激，通过一根头发厚度的纤维来传递。在一项对小鼠的研究中，他们发现这种刺激可以触发神经元释放多巴胺，而多巴胺是帕金森病患者大脑中经常针对的部位。

麻省理工学院媒体实验室副教授、这项新研究的资深作者Canan Dagdeviren说:“通过使用超声技术，我们可以创造一种刺激大脑深部神经元放电的新方法。”“这个设备比头发纤维还薄，所以对组织的损伤可以忽略不计，而且我们很容易在大脑深处导航这个设备。”除了提供一种潜在的更安全的方式来提供深部脑刺激外，这种方法也可以成为研究人员寻求更多关于大脑工作方式的宝贵工具。

麻省理工学院的研究生Jason Hou和博士后Osman Goni Nayeem博士是这篇论文的主要作者，还有麻省理工学院麦戈文大脑研究所、波士顿大学和加州理工学院的合作者。这项研究发表在今天的《Nature Communications》期刊上。

Canan Dagdeviren的实验室此前已经开发出可穿戴超声设备，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，超声波不能通过附着在头部或颅骨上的设备深入大脑。“如果我们想进入大脑深处，那么它就不能仅仅是可穿戴或可连接的了。它必须是可植入的，”“我们精心定制了该设备，使其具有最小的侵入性，并避免了脑深部的主要血管。”

电脉冲脑深部刺激被FDA批准用于治疗帕金森病的症状。这种方法使用毫米厚的电极来激活大脑黑质区域中产生多巴胺的细胞。然而，一旦植入大脑，这些装置最终会开始腐蚀，并且在植入物周围形成的疤痕组织会干扰电脉冲。

麻省理工学院的研究小组开始尝试用超声波代替电刺激来克服这些缺点。大多数神经元都有离子通道，它们对机械刺激(比如声波的振动)有反应，所以超声波可以用来引发这些细胞的活动。然而，现有的通过颅骨向大脑传递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脱靶刺激。

作者表示：“为了精确地调节神经元，我们必须深入研究，这导致我们设计了一种新的基于超声波的植入物，它能产生局部的超声波场。”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头发般细的纤维。纤维的尖端有一个鼓状的超声波换能器，上面有一个振动膜。当这种包裹着一层薄薄的压电薄膜的薄膜被一个小电压驱动时，它就会产生可以被附近细胞探测到的超声波。“它是组织安全的，没有暴露的电极表面，而且功耗很低，这预示着转化为患者使用的好兆头，”

在对小鼠的试验中，研究人员发现，这种被他们称为impulse(植入式压电超声刺激器)的超声波装置可以激发海马神经元的活动。然后，他们将这些纤维植入产生多巴胺的黑质，并表明它们可以刺激背纹状体的神经元产生多巴胺。

波士顿大学心理学和脑科学助理教授Steve Ramirez表示：“大脑刺激是恢复大脑健康的最有效的方法之一，但也是最不为人所知的方法之一。impulse使我们能够以精确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有效性，为我们提供了一种全新的方式，可以对大脑中的目标回路进行精确的刺激。”

可定制的设备

该装置的所有组件都具有生物相容性，包括压电层，它是由一种叫做铌酸钾钠或KNN的新型陶瓷制成的。目前的植入物是由外部电源供电的，但研究人员设想，未来的版本可以由一个小的植入电池和电子装置供电。研究人员开发了一种微加工工艺，使他们能够轻松地改变光纤的长度和厚度，以及压电换能器产生的声波频率。这可以让这些设备针对不同的大脑区域进行定制。

“我们不能说这种设备会对大脑的每个区域产生同样的效果，但我们可以很容易地、非常自信地说，这项技术是可扩展的，而且不仅适用于小鼠。我们还可以把它做得更大，最终用于人类。”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，以及这种装置在植入长达一年的时间尺度后是否能保持功能。他们还对整合微流体通道的可能性感兴趣，这将使该设备能够输送药物和超声波。除了有望成为治疗帕金森氏症或其他疾病的潜在疗法外，这种类型的超声波设备还可以成为帮助研究人员更多地了解大脑的宝贵工具。

Dagdeviren说:“我们的目标是为神经科学界提供一种研究工具，因为我们相信我们没有足够有效的工具来了解大脑。”“作为设备工程师，我们正在努力提供新的工具，这样我们就可以更多地了解大脑的不同区域。”