变形脑传感器粘附在曲面上以进行超声神经刺激

Josiah02 · 发表于 2024-9-29 18:43:08

经颅聚焦超声是一种利用高频声波刺激大脑特定区域的非侵入性技术，可能成为许多神经系统疾病的一种有前途的治疗策略。最值得注意的是，它可以帮助治疗耐药性癫痫和其他与复发性震颤相关的疾病。
成均馆大学 (SKKU)、基础科学研究所 (IBS) 和韩国科学技术研究院的研究人员最近开发了一种新型传感器，可用于对患者进行经颅聚焦超声治疗。《自然电子学》杂志发表的一篇论文介绍了这种传感器，它可以调整形状并紧密贴合皮质表面，使用户能够通过低强度超声波记录神经信号并刺激特定的大脑区域。
该研究的指导作者 Donghee Son 告诉 Tech Xplore：“之前对与大脑表面接触的大脑传感器的研究因无法紧密贴合大脑复杂的褶皱而难以准确测量大脑信号。”
“这种限制使得精确分析整个大脑表面并准确诊断脑损伤变得困难。虽然John A. Rogers 教授和 Dae-Hyeong Kim 教授之前开发的脑传感器由于其极薄的形状在一定程度上解决了这个问题，但它在实现严重弯曲区域的紧密粘附方面仍然面临挑战。”
罗杰斯教授和金教授之前开发的传感器被发现能够更精确地测量大脑表面。尽管前景光明，但这种传感器存在各种局限性，例如无法粘附在曲率较大的大脑表面，以及由于大脑的微运动和脑脊液 (CSF) 的流动，容易从其原始附着点滑落。
这些观察到的挑战限制了它在医疗环境中的潜在应用，因为它们降低了它长时间持续测量目标区域脑信号的能力。作为研究的一部分，Son 和他的同事着手开发一种可以克服这些限制的新型传感器，可以很好地粘附在弯曲的大脑表面上，从而能够在较长时间内可靠地收集测量数据。
Son 表示：“我们开发的新型传感器可以紧密贴合高度弯曲的大脑区域，并牢固地粘附在大脑组织上。这种强大的粘附性使我们能够长期精确地测量目标区域的大脑信号。”
Son 和他的同事开发的传感器被称为 ECoG，可以牢固地粘附在脑组织上而不会形成任何空隙。这可以显著减少来自外部机械运动的噪音。
Son 表示：“这一特性对于通过低强度聚焦超声 (LIFU) 提高癫痫治疗效果尤为重要。众所周知，超声有助于减少癫痫活动，但患者病情多变且个体差异大，为根据每位患者量身定制治疗方案带来了巨大挑战。”
近年来，许多研究小组一直在尝试设计针对癫痫和其他神经系统疾病的个性化超声刺激疗法。然而，为了根据个体患者的需求制定治疗方案，他们应该能够在刺激特定大脑区域的同时实时测量患者的脑电波。
我们的大脑传感器 (SMCA) 在附着到脑组织后立即开始在接触面形成牢固的粘合。随着时间的推移，它逐渐贴合大脑的轮廓，最终实现完整的脑组织连接，没有任何空隙。图片来源：Donghee Son。
孙正义表示：“传统的脑表面附着传感器很难解决这个问题，因为超声波引起的振动会产生很大的噪音，因此很难实时监测脑电波。”
“这一限制是制定个性化治疗策略的主要障碍。我们的传感器大大降低了噪音，使得通过个性化超声刺激成功治疗癫痫成为可能。”
Son 及其同事开发的可变形和可粘附皮质的大脑传感器主要由三层组成。其中包括一层可以与组织进行物理和化学结合的水凝胶层、一层可以改变形状以匹配下方表面形状的自修复聚合物层，以及一层可拉伸的超薄层，其中包含金电极和互连件。
Son 解释说： “当传感器被施加到大脑表面时，水凝胶层会发生凝胶化过程，从而立即与大脑组织牢固地附着在一起。”
“随后，自修复聚合物基底开始变形，适应大脑的曲率，随着时间的推移增加传感器和组织之间的接触面积。一旦传感器完全粘附在大脑轮廓上，它就可以开始工作了。”
该研究团队开发的传感器与近年来推出的其他脑部传感器相比有几个优势。首先，它可以牢固地附着在脑组织上，同时还能调整其形状以紧密贴合脑表面，而不受脑部曲率的影响。
通过适应曲面的形状，传感器可以最大限度地减少外部超声模拟产生的振动。这可以让医生在正常情况下和超声模拟期间精确测量患者脑内的波。
Son 表示：“我们预计这项技术不仅可用于治疗癫痫，还可用于诊断和治疗各种脑部疾病。我们工作中最关键的方面是结合组织粘合技术，使传感器能够牢固地粘附在脑组织表面，以及变形技术，使其能够符合大脑轮廓而不会产生空隙。”
到目前为止，Son 及其同事开发的新传感器已在活体和清醒啮齿动物身上进行了测试。收集到的结果非常有希望，因为该团队能够精确测量脑电波并控制动物的癫痫发作。
研究人员最终计划扩大传感器的规模，在其设计的基础上创建一个高密度阵列。通过临床试验后，这款升级后的传感器可以诊断和治疗癫痫或其他神经系统疾病，同时可能为更有效的假肢技术铺平道路。
Son 补充道：“我们的大脑传感器目前配备了 16 个电极通道，这在高分辨率脑信号映射方面还有待改进。”
“考虑到这一点，我们计划大幅增加电极数量，以便进行更详细、更高分辨率的脑信号分析。此外，我们还旨在开发一种微创方法，将脑传感器植入大脑表面，最终目标是将其应用于临床研究。”

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