目前对于难治性癫痫的治疗机制仍存在认知不完全，以及常规药物治疗效果不佳的情况，因此需要开发一种针对这种癫痫发作的组织部位特异性神经刺激的工具，然而大多数刺激方式都存在侵入性以及不稳定的情况，而经颅聚焦超声（tFUS），凭借其无炎症、长期稳定以及高空间分辨率的优势有希望成为一种可靠的刺激方式，当前使用固定神经刺激方案的手动策略无法提供精确的针对患者的特异性治疗。
韩国科学技术研究院Hyungmin Kim与韩国成均馆大学Donghee Son 合作报道了一种用于闭环经颅超声神经刺激的形状变形皮质粘附传感器（SMCA）。 该传感器由邻苯二酚结合的藻酸盐水凝胶粘合剂、可拉伸的 16 通道电极阵列和粘塑性自修复聚合物基板组成，并与脉冲控制的经颅聚焦超声装置耦合。能够实时检测具有意外和不规则高频振荡的癫痫前信号，并且在清醒的啮齿动物中展示了由完整的皮质活动在超声刺激下监督的闭环癫痫控制。
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图1：用于超稳定大脑接口的 SMCA 传感器可实现闭环 tFUS 神经治疗。a)SMCA传感器保形安装在啮齿动物双侧大脑半球组织上的示意图和相应图像。b)SMCA 传感器的连续大脑接口步骤的示意图，用于解释组织粘附形状变形机制。c)与 SMCA 传感器和 tFUS 传感器集成的闭环神经记录和反馈刺激系统的图示。d)微皮质电图（ECoG）装置的神经信号（顶部，没有组织粘附和适形性的传统 ECoG 装置；底部，SMCA 传感器）的神经信号在 tFUS 刺激下随时间变化的示意图和相应概念图。e)在清醒啮齿动物模型中演示闭环 tFUS 癫痫发作抑制的示意图。
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图2：SMCA的脑接口功能。a)根据拉伸方向比较Alg和Alg-CA的组织粘附强度。b)组织附着的 Alg-CA 涂层双层（涂层在 PI（灰色）、PDMS（绿色）和 SHP（SMCA）（蓝色）上）与背衬硬膜（PET）的剪切粘合强度。c)没有背衬基底的组织附着的 Alg/SHP（红色）、Alg-CA/PDMS（绿色）和 SMCA（蓝色）薄膜的剪切应力曲线与拉伸应变的函数（伸长率为 100% min−1 ）。d)在伸长应变为 80% 时，组织附着的 Alg-CA/PDMS（绿色）和 SMCA（蓝色）薄膜的剪切应力随时间变化的归一化图。e)施加剪切应变时牛脑上 Alg/SHP（上）、Alg-CA/PDMS（中）、SMCA（下）薄膜的组织粘附性能的比较图像。f)FEA 模型的比较顺序示意图，说明了脑接口 PDMS（上）和 SMCA（下）1 小时的时变应力分布。g)安装在具有弯曲皮质形态的牛脑组织上的 Alg-CA/PDMS（上）和 SMCA（下）的比较序列图像。h)安装在牛皮质大部分皱纹表面上的 Alg-CA/PDMS（左）和 SMCA（右）薄膜的横截面照片（上）和相应的共焦荧光图像（下）。
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图3：通过直接转印工艺制造的可拉伸 ECoG 阵列。a)SMCA传感器的分解图，由变形 SHP 基板、印刷可拉伸电极阵列和粘合剂 Alg-CA水凝胶组成。b)新提出的可拉伸设备的转移印刷工艺的概念示意图，该可拉伸设备由 PI 基板和/或封装层以及利用 SHP 基板的变形特性沉积的金属纳米膜组成。c)未经热退火(i)以及在25°C(ii)、40°C(iii)和60°C(iv)下热退火10年后在形状变形SHP基材上转移印刷的可拉伸器件的SEM图像。d)将晶圆级制造的四可拉伸电极阵列（总共 72个通道）转移印刷在形状变形 SHP 基板上的所有通道的电阻累积概率。e)可拉伸电极在拉伸至 70% 应变时的电阻。f)35% 应变的重复拉伸循环期间的归一化电阻。g)拉伸至 50% 应变时的电化学阻抗。h-j)图像显示 SMCA传感器装置在具有曲线表面的离体牛皮质上具有超适形、强大的脑粘附性能。h)通过形状变形特性，SMCA传感器设备沿着皮质的随机皱纹表面形成超适形接触。i)SMCA传感器装置的鲁棒大脑集成可承受剪切力张力。j)环绕水滴后的耐用脑粘合界面。
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图4：在麻醉啮齿动物模型中，与不同脑接口材料相比，SMCA 传感器在 tFUS 刺激下的急性体内神经记录性能。a)体内材料性能测试示意图。b–e)与四种不同材料集成的脑部可拉伸电极的顶视图图像，包括 PDMS (b)、SHP (c)、Alg（界面）/SHP（基板）(d) 和 SMCA f–i)来自每个材料平台的代表性试验的一系列皮层电图原始图（上图）和三个连续通道的放大数据图，包括位于左半球视觉皮层上由 tFUS 直接刺激的通道（通道 15） 每个材料平台（下图），包括PDMS（f）、SHP（g）、Alg（界面）/SHP（基材）（h）和SMCA
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图5：tFUS 诱导的体内实时癫痫发作控制与高频振动(HFO)检测触发了预尖峰波刺激。 a)红藻氨酸癫痫模型中 SMCA 传感器测量的原始信号（上）、过滤后的 HFO（80–500 Hz 带通滤波器，中）和功率谱图（下）。 b)由 HFO 检测触发的清醒红藻氨酸模型中的自动 tFUS 刺激。癫痫发作尖峰波 (SW) 依次跟随 HFO（用 # 表示） c)基于 tFUS/ECoG 的自动刺激系统的假试验 16 通道原始时间轨迹和频谱图。 d)tFUS 刺激试验 16 通道原始时间轨迹和频谱图，由 HFO 检测触发。 e，f)假（e）试验和tFUS刺激（f）试验（来自六只动物的八对假-tFUS试验）的癫痫振荡功率的平均z评分地形。
本文报道了一种用于闭环 tFUS 神经刺激的 SMCA 传感器。 它在弯曲的皮质表面上表现出保形且稳固的机械固定，即使在自由移动的清醒啮齿动物中进行 tFUS 神经刺激时也能提供稳定的 ECoG 信号监测，并且该系统可用于开发闭环 tFUS 系统，该系统可以灵活地确定最佳操作，以响应超声刺激调制的完整大脑活动的状态。然而我觉得该研究需要进一步测试传感器在长期植入中的生物兼容性和稳定性，确保其在临床应用中的安全性。
【参考文献】
https://www.nature.com/articles/s41928-024-01240-x
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