如何利用磁電效應(yīng)將能量轉(zhuǎn)移到組織中

兩種類型的神經(jīng)刺激已在臨床上得到證實(shí)。腦深部刺激（DBS，https://spectrum.ieee.org/tag/deep-brain-stimulation）需要在腦組織深處植入電極，并將其連接到胸部的電池供電脈沖發(fā)生器。這涉及到大手術(shù)，但一旦技術(shù)到位，患者就可以毫無問題地生活——直到幾年后電池需要更換。還有經(jīng)顱磁刺激（TMS，https://spectrum.ieee.org/tms-for-addiction），即從頭部外部傳遞強(qiáng)大的磁脈沖，以改變腦細(xì)胞的活動(dòng)。該方法不需要手術(shù)，但患者需要經(jīng)常到醫(yī)院回診，因?yàn)樗麄冃枰邮苓B續(xù)大約六周的治療。

現(xiàn)在，有這樣一項(xiàng)新技術(shù)可以兩全其美：微創(chuàng)神經(jīng)刺激設(shè)備，患者可以在自己家里操作。

發(fā)布在服務(wù)器medRxiv上的一篇預(yù)印本論文（https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2023.09.13.23295460v1）中，神經(jīng)工程師描述了一種微小的無線設(shè)備，它可以植入頭骨下方，位置在大腦周圍一層叫做硬腦膜的保護(hù)膜上方。

該研究的合著者、萊斯大學(xué)教授Jacob Robinson告訴IEEE Spectrum，他預(yù)計(jì)該過程將耗時(shí)不到30分鐘。之后，患者可以在可穿戴耳機(jī)的幫助下在家進(jìn)行治療，該耳機(jī)可以向植入物傳輸功率和指令。Robinson還是Motif Neuroscience的聯(lián)合創(chuàng)始人，這是一家試圖將該技術(shù)商業(yè)化的初創(chuàng)公司。

他說，“真正的突破”是該設(shè)備的無線電力傳輸系統(tǒng)。它始于可穿戴耳機(jī)中的一個(gè)發(fā)射器，該發(fā)射器發(fā)射磁場(chǎng)。植入物中有一種磁電材料，它在磁場(chǎng)的存在下振動(dòng)，還有另一種將這些振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電的成分。

Robinson說，這項(xiàng)技術(shù)與將超聲波與壓電晶體配對(duì)所做的工作有點(diǎn)相似，壓電晶體將聲波振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，并可以為微小的神經(jīng)植入物提供動(dòng)力。Robinson說：“超聲波的挑戰(zhàn)在于，很難與焦斑對(duì)齊，也很難穿過空氣或骨骼，因?yàn)橛兴羞@些反射界面?！?/p>

在對(duì)一名已經(jīng)在接受腦部手術(shù)的人類志愿者進(jìn)行的概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，Robinson的團(tuán)隊(duì)證明了他們的微型設(shè)備（直徑約9毫米）可以通過硬腦膜刺激大腦。他們將植入物放置在硬腦膜上，并位于大腦中控制運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)皮層上方；當(dāng)他們打開設(shè)備時(shí)，志愿者的手收縮了。該實(shí)驗(yàn)類似于TMS診所校準(zhǔn)設(shè)備的方式：在患者治療開始時(shí)，技術(shù)人員將儀器放在運(yùn)動(dòng)皮層上，并打開電源，直到患者手上的肌肉收縮。

然而，從讓手收縮到為患者提供持久的疾病緩解（如抑郁癥），這是天壤之別。事實(shí)上，抑郁癥已經(jīng)用TMS治療了，它也是DBS試驗(yàn)的目標(biāo)應(yīng)用。DBS首席研究員、西奈山衛(wèi)生系統(tǒng)神經(jīng)學(xué)家Helen Mayberg表示，她期待著看到“這項(xiàng)技術(shù)如何在運(yùn)動(dòng)皮層以外的大腦位置使用”。

研究人員的下一步——這是一個(gè)重大的步驟——將是美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)的臨床試驗(yàn)，看看他們的大腦刺激器是否對(duì)抑郁癥患者有治療作用。如果它通過了這項(xiàng)測(cè)試，他們的技術(shù)可以被考慮用于許多其他神經(jīng)精神疾病，這些疾病是最近有希望的TMS試驗(yàn)的重點(diǎn)，包括強(qiáng)迫癥、成癮、阿爾茨海默氏癥和創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研究下一代神經(jīng)接口的副教授Maysam Chamanzar表示，預(yù)印本中的結(jié)果給他留下了深刻印象?！袄么烹娦?yīng)將能量轉(zhuǎn)移到組織中是一個(gè)有趣的想法，”他這樣告訴Spectrum，“無線傳輸?shù)墓β屎椭踩胛锏碾妷核搅钊斯奈?。?Chamanzar說，他希望看到有關(guān)該設(shè)備可靠性和安全性的長期數(shù)據(jù)。他還想知道該設(shè)備是否可以在不犧牲太多效率的情況下進(jìn)一步小型化，以及它是否可以通過硬腦膜精確瞄準(zhǔn)大腦的小區(qū)域。但“這項(xiàng)工作顯示了偉大的第一步”，他說。

Robinson認(rèn)為Motif的技術(shù)比TMS有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。他指出，一些研究表明，增加TMS治療的持續(xù)時(shí)間或頻率可能會(huì)產(chǎn)生更好的結(jié)果，而Motif的家庭治療方案可以很容易地改變這些變量。此外，未來的臨床試驗(yàn)可能會(huì)在不同的地方植入幾種植入物，以改變神經(jīng)回路中多個(gè)位置的大腦活動(dòng)。最后，該設(shè)備可以做的不僅僅是刺激大腦；它還可以記錄其電活動(dòng)，以便收集治療效果的數(shù)據(jù)。人們對(duì)“閉環(huán)”系統(tǒng)非常感興趣，它利用患者對(duì)刺激的反應(yīng)來進(jìn)行調(diào)整。

Robinson說，這項(xiàng)技術(shù)的設(shè)計(jì)為未來的改進(jìn)留下了很大的空間?！胺蛛x植入物和可穿戴設(shè)備令人興奮的是，”他說，“植入物可以具有刺激和記錄等功能，之后我們可以更新可穿戴設(shè)備，以支持閉環(huán)神經(jīng)調(diào)控等功能。我們的愿景是，隨著時(shí)間的推移，我們可以使用同一植入物或植入物網(wǎng)絡(luò)解鎖患者特異性和適應(yīng)性療法。”

審核編輯：彭菁