用于深部脑刺激的可植入压电超声刺激器，为帕金森等神经系统疾病提供新疗法
2024-06-23 23:23:05 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
美国麻省理工学院（MIT）的研究人员设计了一种由柔性聚合物制成的细如发丝的纤维，纤维的顶端包含一个带有振动膜的鼓状超声换能器。
美国麻省理工学院（MIT）开发的可植入压电超声刺激器（ImPULS），有望替代目前用于治疗帕金森病和其它疾病的电极。
通过可植入电极向大脑传递电脉冲的深部脑刺激疗法通常被用于治疗帕金森病和其它神经系统疾病。然而，这种治疗方法所使用的电极会发生腐蚀并导致植入区域形成疤痕组织，因此，在植入一段时间后需要将其移除。
据麦姆斯咨询报道，为解决上述问题，近期，麻省理工学院的研究人员提出了一种替代方法，即使用超声波而不是电来进行深部脑刺激。在这项研究中，超声波通过一根头发丝粗细的纤维进行传递。在利用小鼠模型进行的研究中，研究人员发现这种超声刺激可以触发小鼠大脑中一个特定区域的神经元释放多巴胺，而这一大脑区域通常被作为帕金森患者的治疗靶向区域。
可植入压电超声刺激器（ImPULS）
“通过使用超声波技术，我们可以创建一种新的刺激大脑深层神经元放电的方法。”麻省理工学院媒体实验室副教授、这项研究的通讯作者Canan Dagdeviren说道，“这种装置比头发丝还要细，因此对组织的损伤可以忽略不计，而且我们很容易在大脑深部对这种装置进行导航。”
除了提供一种更安全的深部脑刺激方法之外，这种方法还可能成为研究人员了解大脑工作原理的重要工具。
麻省理工学院研究生Jason Hou和博士后Md Osman Goni Nayeem是这篇论文的第一作者，其他合作者分别来自麻省理工学院麦戈文脑科学研究所（McGovern Institute for Brain Research）、波士顿大学（Boston University）和加州理工学院（California Institute of Technology）。这项研究以“An implantable piezoelectric ultrasound stimulator (ImPULS) for deep brain activation”为题发表在Nature Communications期刊上。
深部脑刺激疗法
Canan Dagdeviren所领导的实验室以前曾开发过可穿戴超声装置，这种装置可以用于经皮给药或对各种器官进行诊断成像。然而，超声波无法通过附着在头部或头骨上的装置深入大脑。
“如果我们想使超声波进入大脑深部，那么使用的装置就不能仅仅是可穿戴或可附着的了。它必须是可植入的。”Canan Dagdeviren说，“我们精心设计了这种装置，使其具有最小的侵入性，并避开深部脑组织中的主要血管。”
美国食品药品监督管理局（FDA）已批准使用电脉冲深部脑刺激治疗帕金森疾病。这种方法使用数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，这种电极装置会逐渐腐蚀，此外，电极植入区域形成的疤痕组织会干扰电脉冲。
因此，麻省理工学院的研究人员开始研究能否用超声波取代电刺激，从而克服电刺激存在的一些缺陷。大多数神经元都有能对机械刺激（如声波的振动）做出反应的离子通道，因此超声波可以用来激发这些细胞的活动。然而，现有的通过头骨向大脑输送超声波的技术无法高精度地深入大脑，因为头骨本身会干扰超声波，导致刺激偏离目标。
“要精确调节神经元，我们必须深入到更深的区域，这促使我们设计出一种新型基于超声刺激的植入物，它能产生局部超声场。”为了使这种植入物可以安全地植入到大脑深部区域，研究人员设计了一种由柔性聚合物制成的细如发丝的纤维。纤维的顶端包含一个带有振动膜的鼓状超声换能器。当这层包裹着压电薄膜的振动膜受到微弱电压驱动时，就会产生超声波，附近的细胞就能感测到这种超声波。
“这种植入物对组织无害，没有裸露的电极表面，而且功耗很低，这预示着它具有良好的转化应用潜力。”Jason Hou说道。
可植入压电超声刺激器（ImPULS）的表征
在利用小鼠模型进行的试验中，研究人员发现，这种被称为ImPULS的超声装置可以激发海马神经元的活动。研究人员将这种纤维植入可以产生多巴胺的黑质中，结果表明，这种纤维可以刺激背侧纹状体的神经元产生多巴胺。
刺激麻醉小鼠黑质多巴胺的释放
“刺激大脑一直是恢复大脑健康最有效但其机制认识还很低的方法之一。ImPULS让我们有能力以精确的时空分辨率刺激脑细胞，而且不会像其它方法那样产生损伤或炎症。认识到它在海马等区域的有效性，为我们开辟了一条全新的途径，以实现对大脑中目标回路的精确刺激。”这项研究的作者之一、波士顿大学心理与脑科学助理教授、波士顿大学系统神经科学中心（Center for Systems Neuroscience）职工Steve Ramirez说道。
可定制的超声装置
该超声装置的所有组件都具有生物相容性，包括由一种名为铌酸钠钾（KNN）的新型陶瓷制成的压电层。该研究目前设计的植入物需要由外部电源供电，但研究人员设想，未来该植入物可以由小型可植入电池和电子装置供电。
此外，研究人员开发了一种微加工工艺，使得轻松改变纤维的长度和厚度，以及压电换能器产生的声波频率成为可能。这样，研究人员就能根据不同大脑区域的需要定制不同的植入物。
“我们不能确保这种装置会对大脑的每个区域产生同样的效果，但我们可以非常自信地说，这种技术是可扩展的，其不仅仅适用于小鼠。我们还可以把它做得更大，以便最终用于人类。”Canan Dagdeviren说道。
目前，研究人员正在计划研究超声刺激对对大脑不同区域的影响，以及这种装置在植入一年后能否保持功能。研究人员还对将微流控通道整合到该装置的可能性很感兴趣，这样就能让该装置在传输超声波的同时递送药物。
研究人员说，除了有望成为帕金森病或其它疾病的潜在治疗手段之外，这种超声装置还可以成为帮助研究人员进一步了解大脑的宝贵工具。
“我们的目标是将其作为一种研究工具提供给神经科学界，因为我们认为目前科学界还没有足够的有效工具来了解大脑。”Canan Dagdeviren说道，“作为设备工程师，我们正在努力提供新的工具，以便科学家能够更多地了解大脑的不同区域。”
这项研究得到了麻省理工学院媒体实验室联盟和脑与行为研究基金会（BBRF）NARSAD青年研究员奖的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-48748-6
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