麻省理工學院的工程師們開發出一種頭髮絲般細的超音波設備，透過提供精確、微創的深部腦部刺激，為治療神經系統疾病帶來了潛在的突破。這種被稱為ImPULS 的技術可以取代傳統的基於電極的方法，有望減少組織損傷並提高療效。

ImPULS 設備包含封裝在聚合物中的超音波感測器和電極（金）。圖片來源：研究人員提供

透過植入電極向大腦傳遞電脈衝的深部腦部刺激療法通常用於治療帕金森氏症和其他神經系統疾病。然而，這種治療方法所使用的電極最終會腐蝕並累積疤痕組織，需要將其移除。

現在，麻省理工學院的研究人員開發了一種替代方法，即使用超音波而不是電力來進行深部腦部刺激，由一根頭髮絲粗細的纖維傳遞。在對小鼠的研究中，他們發現這種刺激會觸發神經元釋放多巴胺，而多巴胺通常是帕金森氏症患者大腦的一部分。

“透過使用超音波技術，我們可以創造一種新的方式來刺激大腦深部的神經元發射，」麻省理工學院媒體實驗室副教授、這項新研究的資深作者卡南-達格德維仁（Canan Dagdeviren）說。 “這種裝置比頭髮絲還要細，因此對組織的損傷可以忽略不計，而且我們很容易在大腦深部導航這種裝置。”

除了提供更安全的深部腦部刺激方法外，這種方法還可能成為研究人員了解大腦運作原理的重要工具。

麻省理工學院研究生傑森-侯（Jason Hou）和麻省理工學院博士後奧斯曼-高尼-納耶姆（Md Osman Goni Nayeem）是這篇論文的主要作者，其他合作者來自麻省理工學院麥戈文腦研究所、波士頓大學和加州理工學院。研究報告於6月4日發表在《自然通訊》（Nature Communications）雜誌。

達格德維仁的實驗室以前曾開發過可穿戴超音波設備，可用於透過皮膚給藥或對各種器官進行診斷成像。然而，超音波無法透過附著在頭部或頭骨上的設備深入大腦。

“如果我們想進入大腦深層，那麼它就不能再僅僅是可穿戴或可附著的了。它必須是可植入的，”Dagdeviren 說。 “我們精心定制設備，使其具有微創性，避開大腦深部的主要血管”。

美國食品藥物管理局已批准使用電脈衝深部腦部刺激治療巴金森氏症症狀。這種方法使用毫米厚的電極來活化大腦黑質區域中產生多巴胺的細胞。然而，一旦植入大腦，設備最終會開始腐蝕，植入物周圍形成的疤痕組織會幹擾電脈衝。

新方法透過一根頭髮絲粗細的纖維傳遞超音波。圖片來源：研究人員提供

麻省理工學院的研究團隊開始研究能否用超音波取代電刺激，以克服其中的一些缺點。大多數神經元都有能對機械刺激（如聲波的振動）做出反應的離子通道，因此超音波可用於激發這些細胞的活動。然而，現有的透過頭骨輸送超音波的技術無法高精度地深入大腦，因為頭骨本身會幹擾超音波，導致刺激偏離目標。

Nayeem說：”要精確調節神經元，我們必須深入到更深的區域，這促使我們設計出一種新型超音波植入物，它能產生局部超音波場。為了安全地到達大腦深部區域，研究人員設計了一種由柔性聚合物製成的細如髮絲的纖維。 ，當這層薄膜被微小的電壓驅動時，就會產生超音波，附近的細胞就能檢測到這些超音波。

Hou說：”它對組織安全，沒有裸露的電極表面，而且功耗很低，這對轉化為病人使用是個好兆頭。”

在對小鼠進行的試驗中，研究人員發現，這種被稱為ImPULS（可植入壓電超音波刺激器）的超音波裝置可以激發海馬神經元的活動。然後，他們將這種纖維植入產生多巴胺的黑質，結果表明，這種纖維可以刺激背側紋狀體的神經元產生多巴胺。

“刺激大腦一直是恢復大腦健康最有效但最不為人所知的方法之一。ImPULS讓我們有能力以精確的時空分辨率刺激腦細胞，而且不會像其他方法那樣產生損傷或發炎。”波士頓大學心理與腦科學助理教授、波士頓大學系統神經科學中心（Center for Systems Neuroscience）教員史蒂夫-拉米雷斯（Steve Ramirez）也是這項研究的作者之一。

在新系統中，感測器（銀色）由導線（金色）供電，導線可提供電刺激。圖片來源：研究人員提供

該裝置的所有組件都具有生物相容性，包括壓電層，它是由一種名為鈮酸鈉鉀（或KNN）的新型陶瓷製成的。目前的植入物由外部電源供電，但研究人員設想未來的植入物可以由小型植入式電池和電子裝置供電。

研究人員開發了一種微加工工藝，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。這樣就能為不同的大腦區域客製化設備。

Dagdeviren說：『我們不能說這種裝置會對大腦的每個區域產生同樣的效果，但我們可以非常自信地說，這種技術是可擴展的，而且不僅適用於老鼠。我們還可以把它做得更大，以便最終用於人類。

研究人員現在計劃研究超音波刺激會如何影響大腦的不同區域，以及這種裝置在植入一年後能否維持功能。他們也對加入微流體通道的可能性很感興趣，這樣就能讓裝置在傳遞超音波的同時傳遞藥物。

研究人員說，除了有望成為帕金森氏症或其他疾病的潛在治療手段外，這種超音波設備還可以成為幫助研究人員進一步了解大腦的寶貴工具。

“我們的目標是將其作為研究工具提供給神經科學界，因為我們認為我們沒有足夠的有效工具來了解大腦，”Dagdeviren 說。 “作為設備工程師，我們正在努力提供新的工具，以便我們能夠更多地了解大腦的不同區域。”

編譯自/ scitechdaily