超音波提供了一種新的深腦刺激方法 | 麻省理工學院新聞

深腦刺激的新方法

深腦刺激是透過植入電極向大腦發送電脈衝，通常用來治療帕金森病和其他神經系統疾病。然而，這些電極可能會腐蝕並累積疤痕組織，最終需要被移除。

麻省理工學院 (MIT) 的研究人員現在開發了一種替代方法，使用超聲波而不是電力來進行深腦刺激，這是透過一根與人類頭髮粗細相似的纖維來實現的。在對小鼠的研究中，他們顯示這種刺激可以促使神經元釋放多巴胺，這是帕金森病患者常常針對的腦部區域。

MIT 媒體實驗室的副教授 Canan Dagdeviren 說：“透過超聲波技術，我們可以創造一種新的方式來刺激深腦中的神經元。”她表示，“這個裝置比頭髮纖維還要細，因此對組織的損傷非常小，而且我們可以輕鬆地將這個裝置導航到深腦中。”

安全的深腦刺激

除了提供一種潛在更安全的深腦刺激方法外，這種方法還可能成為研究人員了解大腦運作的重要工具。

MIT 碩士生 Jason Hou 和 MIT 博士後研究員 Md Osman Goni Nayeem 是這篇論文的主要作者，還有來自 MIT 麥戈文腦研究所、波士頓大學 (Boston University) 和加州理工學院 (Caltech) 的合作者。這項研究今天發表在《自然通訊》(Nature Communications) 上。

深入大腦的挑戰

Dagdeviren 的實驗室之前已經開發出可穿戴的超聲波裝置，可以通過皮膚傳遞藥物或對各種器官進行診斷成像。然而，從頭部或顱骨附著的裝置無法深入大腦。

Dagdeviren 說：“如果我們想進入深層大腦，那麼它就不能只是可穿戴或可附加的裝置，必須是可植入的。”她表示，“我們仔細定制這個裝置，以便它能夠最小侵入地避免深腦中的主要血管。”

使用電脈衝的深腦刺激已獲得美國食品藥品監督管理局 (FDA) 的批准，用於治療帕金森病的症狀。這種方法使用毫米厚的電極來激活一個名為黑質 (substantia nigra) 的腦區中的多巴胺產生細胞。然而，植入大腦後，這些裝置最終會開始腐蝕，周圍累積的疤痕組織可能會干擾電脈衝。

超聲波的潛力

MIT 團隊希望通過用超聲波替代電刺激來克服這些缺點。大多數神經元都有對機械刺激（如聲波振動）敏感的離子通道，因此可以使用超聲波來引發這些細胞的活動。然而，現有的將超聲波傳遞到大腦的技術無法高精度地深入大腦，因為顱骨本身會干擾超聲波，導致刺激偏離目標。

Nayeem 說：“為了精確調節神經元，我們必須深入設計一種新的基於超聲波的植入裝置，產生局部的超聲波場。”為了安全地到達這些深層大腦區域，研究人員設計了一根由柔性聚合物製成的細如頭髮的纖維。纖維的尖端包含一個鼓狀的超聲波換能器，具有振動膜。當這個膜（包裹著一層薄的壓電薄膜）受到小電壓驅動時，它會產生超聲波，這些波可以被附近的細胞檢測到。

Hou 說：“這是組織安全的，沒有暴露的電極表面，並且功率非常低，這對於轉化為患者使用是有利的。”

實驗結果

在小鼠實驗中，研究人員顯示這個名為 ImPULS（可植入壓電超聲波刺激器）的超聲波裝置可以引發海馬體中的神經元活動。然後，他們將纖維植入多巴胺產生的黑質，並顯示可以刺激背側紋狀體中的神經元產生多巴胺。

波士頓大學心理與腦科學助理教授 Steve Ramirez 說：“大腦刺激一直是最有效但最不被理解的方法之一，用於恢復大腦健康。ImPULS 使我們能夠以精確的時空分辨率刺激腦細胞，並且不會像其他方法那樣造成損傷或發炎。在海馬體等區域看到其有效性為我們提供了一種全新的方式來精確刺激大腦中的目標電路。”

可定制的裝置

這個裝置的所有組件都是生物相容的，包括由一種新型陶瓷製成的壓電層，稱為鉀鈉鈮酸鹽 (KNN)。目前版本的植入裝置由外部電源供電，但研究人員預想未來的版本可以由小型植入電池和電子單元供電。

研究人員開發了一種微製造過程，使他們能夠輕鬆改變纖維的長度和厚度，以及壓電換能器產生的聲波頻率。這可以使裝置根據不同的大腦區域進行定制。

Dagdeviren 說：“我們不能說這個裝置在大腦的每個區域都會產生相同的效果，但我們可以輕鬆且非常自信地說這項技術是可擴展的，不僅僅是對小鼠。我們也可以將其放大以便最終用於人類。”

研究人員現在計劃調查超聲波刺激可能對大腦不同區域的影響，以及這些裝置在植入後是否能保持功能達一年。他們還對加入微流體通道的可能性感興趣，這樣裝置就可以同時傳遞藥物和超聲波。

除了作為潛在的帕金森病或其他疾病的治療方法外，這種超聲波裝置也可能成為幫助研究人員了解大腦的重要工具。

Dagdeviren 說：“我們的目標是將這作為神經科學界的研究工具，因為我們相信目前對於理解大腦的有效工具還不夠。”她表示，“作為裝置工程師，我們正在努力提供新的工具，以便我們能夠更深入了解大腦的不同區域。”

這項研究得到了 MIT 媒體實驗室聯盟和腦與行為基金會研究 (BBRF) NARSAD 年輕研究者獎的資助。