麻省理工学院的工程师们开发出一种头发丝般细的超声波设备，通过提供精确、微创的深部脑刺激，为治疗神经系统疾病带来了潜在的突破。这种被称为 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。
ImPULS 设备包含封装在聚合物中的超声波传感器和电极（金）。图片来源：研究人员提供
通过植入电极向大脑输送电脉冲的深部脑刺激疗法通常用于治疗帕金森病和其他神经系统疾病。然而，这种治疗方法所使用的电极最终会腐蚀并积累疤痕组织，需要将其移除。
现在，麻省理工学院的研究人员开发出了一种替代方法，即使用超声波而不是电力来进行深部脑刺激，由一根头发丝粗细的纤维传递。在对小鼠的研究中，他们发现这种刺激可以触发神经元释放多巴胺，而多巴胺通常是帕金森病患者大脑中的一部分。
"通过使用超声波技术，我们可以创造一种新的方式来刺激大脑深部的神经元发射，"麻省理工学院媒体实验室副教授、这项新研究的资深作者卡南-达格德维仁（Canan Dagdeviren）说。"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导航这种装置。"
除了提供一种更安全的深部脑刺激方法外，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杰森-侯（Jason Hou）和麻省理工学院博士后奥斯曼-高尼-纳耶姆（Md Osman Goni Nayeem）是这篇论文的主要作者，其他合作者来自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。该研究报告于6月4日发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。
达格德维仁的实验室以前曾开发过可穿戴超声波设备，可用于通过皮肤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设备深入大脑。
"如果我们想进入大脑深层，那么它就不能再仅仅是可穿戴或可附着的了。它必须是可植入的，"Dagdeviren 说。"我们精心定制设备，使其具有微创性，避开大脑深部的主要血管"。
美国食品和药物管理局已批准使用电脉冲深部脑刺激治疗帕金森病症状。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，设备最终会开始腐蚀，植入物周围形成的疤痕组织会干扰电脉冲。
新方法通过一根头发丝粗细的纤维传递超声波。图片来源：研究人员提供
麻省理工学院的研究小组开始研究能否用超声波取代电刺激，从而克服其中的一些缺点。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。
Nayeem说："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超声植入物，它能产生局部超声场。为了安全地到达大脑深部区域，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鼓状超声换能器，换能器上有一层振动膜。这层薄膜包裹着一层薄薄的压电薄膜，当这层薄膜被微小的电压驱动时，就会产生超声波，附近的细胞就能检测到这些超声波。"
Hou说："它对组织安全，没有裸露的电极表面，而且功耗很低，这对转化为病人使用是个好兆头。"
在对小鼠进行的试验中，研究人员发现，这种被称为ImPULS（可植入压电超声刺激器）的超声装置可以激发海马神经元的活动。然后，他们将这种纤维植入产生多巴胺的黑质，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。
"刺激大脑一直是恢复大脑健康最有效但最不为人所知的方法之一。ImPULS让我们有能力以精确的时空分辨率刺激脑细胞，而且不会像其他方法那样产生损伤或炎症。"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）教员史蒂夫-拉米雷斯（Steve Ramirez）也是这项研究的作者之一。
在新系统中，传感器（银色）由导线（金色）供电，导线可提供电刺激。图片来源：研究人员提供
该装置的所有组件都具有生物兼容性，包括压电层，它是由一种名为铌酸钠钾（或 KNN）的新型陶瓷制成的。目前的植入物由外部电源供电，但研究人员设想未来的植入物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频率。这样就能为不同的大脑区域定制设备。
Dagdeviren说："我们不能说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，而且不仅适用于小鼠。我们还可以把它做得更大，以便最终用于人类。"
研究人员现在计划研究超声波刺激会如何影响大脑的不同区域，以及这种装置在植入一年后能否保持功能。他们还对加入微流体通道的可能性很感兴趣，这样就能让装置在传递超声波的同时传递药物。
研究人员说，除了有望成为帕金森病或其他疾病的潜在治疗手段外，这种超声波设备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，因为我们认为我们没有足够的有效工具来了解大脑，"Dagdeviren 说。"作为设备工程师，我们正在努力提供新的工具，以便我们能够更多地了解大脑的不同区域。"
编译自/scitechdaily