重磅！國內首款動物商用無線無源電刺激系統，將廣泛應用於腦科學

2020-08-15 brainnews

隨著神經調控技術的發展，電刺激調控的應用也越來越廣泛包括於神經康復再生、癲癇、老年痴呆、帕金森疼痛、抑鬱、肥胖等神經相關的疾病調控研究，作為傳統的應用於動物科研實驗上的電刺激系統目前主要有兩種方案:

一種是直接採用有線連接，使用前先將刺激電極植入到體內，通過導線插頭的形式與後端的刺激主機相連，由於是外部供電及刺激調控，所以不需要擔心長時間供電問題，但引線的加入會影響動物的舒適性，長時間佩戴必須要解決引線纏繞問題，也無法像正常動物那樣進行一些常規的行為訓練或其他技術的融合等。

第二種刺激方案採用無線刺激模式，這種方案將刺激模塊小型化，使得可以整體植入到動物體內，通過外部指令來給出電刺激，這種方案解決了帶線產生的問題，然而由於整體植入電路以及電池均在植入子裡面，最小的植入子重量也基本在10g以上，對一些小動物如小鼠還是存在著問題，而且體積受限，電池的容量也不會很大，往往持續工作幾天電量就會耗盡，無法滿足那些長期慢性刺激實驗的要求。


為解決上述問題，科斗（蘇州）腦機科技團隊開發出國內第一款商用極小化無線無源電刺激系統，植入子最小僅有1-2g，只需要做一個微創手術將電極植入到刺激位點，無線接收能量的部位埋置在皮下，使用中將植入後的動物放置在無線發射板上，指令以及能量均由面板提供，刺激時長、頻率、大小均由外部設備來控制，植入子可以結合各種刺激電極來使用，如cuff電極、柔性貼片電極、單雙通道金屬電極等，以適用不同的刺激部位的需求。


無線無源刺激原理


該系統添加有外部接口，可以和其他如電生理、光遺傳、行為系統設備進行結合，進行更複雜的神經環路問題的研究。

應用場景一：神經再生

運動是由神經調控，每年由於車禍或各種意外導致神經損毀（包括中樞和外周神經）而失去運動能力的人非常多，目前對於神經損毀的問題，醫生能做的也只是將神經重新連接，但完全恢復功能還是很有難度，術後恢復最常用的方法是給予被動式的訓練活動，但這種方式收效甚微。電刺激是能夠誘發神經的傳導，理論上是可以將連接上的神經打通信號通路，醫生也在手術中發現給受損傷的神經附近進行電刺激更夠恢復一些能力，加快恢復時間，由此可見，若是對受損神經進行長時間的慢性刺激或許就能將原先失去的能力完全恢復。


2018年在Nature Medicine上的一篇文章也公開報導了在小鼠實驗中，通過植入這種無線無源的cuff刺激電極來促使神經再生的實驗取得了良好的結果。研究人員們將帶有無線接受能量的cuff電極植入到了坐骨神經受損的小鼠中，並以每小時1次的頻率進行電刺激，時間長達1天、3天、以及6天。治療後，科學家們又在接下來的10周裡，追蹤神經的恢復情況，並發現相比對照組，但凡接受電刺激的小鼠，其肌肉重量與強度都有顯著提升，表明小鼠的神經功能與運動能力都恢復良好。更有意義的是，隨著電刺激的時間越長，小鼠的恢復速度也就越快。而且，這一植入子均採用生物可吸收材料生產，本身沒有帶來明顯的副作用，術後無需二次手術取出[1]。

植入模擬和實際圖

應用場景二：癲癇治療

癲癇是大腦神經元突發性異常放電，導致短暫的大腦功能障礙的一種慢性疾病。據中國最新流行病學資料顯示，國內癲癇的總體患病率為7.0‰，中國約有900萬左右的癲癇患者。癲癇發作是由於神經核團的異常放電引起，可以通過迷走神經神經調控手術來抑制癲癇發病。在做好的癲癇模型的動物上，將帶有無線供能的cuff電極埋置在動物體內的迷走神經上，通過外部設備如行為或其他電生理檢測識別到癲癇發作的信號，觸發刺激電極產生微電流，從而消除癲癇症狀[2][3]。

應用場景三：抑鬱症治療

抑鬱症是世界第四大疾病，預計到2020年將成為第二大。抑鬱症的治療基本依靠藥物，然而藥物使用到後期會出現抗藥性以及其他副作用，所以人們也一直在尋求其他方面的治療手段，包括DBS腦深部刺激術。現在已有證據表明通過給與特定腦區的微電流刺激能夠減緩抑鬱症狀[4]，抑鬱症的動物模型已經成熟穩定，由於這種電刺激需要長時間治療，腦深部電極與無線無源刺激系統結合也是比較合適的解決方案。


無線無源電刺激系統實物圖

目前開發該系統的科斗腦機團隊已經和華山醫院展開合作，進行了小動物的在體刺激實驗，該系統取得了預期效果，雙方也以此共同申報了相關專利，後續也將不斷豐富升級更多的功能。


參考文獻：

[1] Koo, J., et al. (2018). &34; Nature Medicine 24.

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Epilepsy

[3] https://baike.baidu.com/item/%E7%99%AB%E7%97%AB/1613?fr=aladdin

[4] Delaloye, S. and P. E. Holtzheimer (2014). &34; Dialogues in clinical neuroscience 16(1): 83-91.


相關數據和資料來源於：

科斗（蘇州）腦機科技有限公司

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