"怀长期主义，聊医工科技"
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| 今天的文章中，超哥为大家介绍一种新型的植入式压电超声波刺激器（ImPULS），旨在克服传统神经接口在深脑区域定位精度和效能上的局限性。ImPULS能够生成100 kPa的超声聚焦压力，并非基因调控地调节神经元活动。我们通过一系列实验验证了其有效性：首先，在体外小鼠海马切片中，ImPULS可以激活神经元；其次，在麻醉小鼠的海马体中，ImPULS诱导了活动依赖性基因c-Fos的表达；最后，在麻醉小鼠的黑质致密部，通过刺激多巴胺能神经元，实现了黑质-纹状体通路中多巴胺释放的时间锁定调节。本研究提出了一种非基因调控的空间定位超声神经刺激平台，展示了其在深脑区域神经刺激中的应用潜力。 |
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植入式神经调控技术是一种通过植入体内的设备对神经系统进行调节的先进医疗技术。这些设备利用电流、磁场或超声波等物理手段，精确地刺激或抑制特定的神经活动，从而治疗各种神经系统疾病和慢性疼痛。该技术在治疗帕金森病、癫痫、慢性疼痛和抑郁症等方面显示出显著疗效，改善了患者的生活质量。
最有名的企业当属马斯克的Neurolink公司了，Neuralink的主要产品包括N1植入设备和专用手术机器人。N1是一种完全植入的脑-机接口（BCI），包含1024个电极，通过极细的线材分布在大脑中，实现神经信号的高精度记录和传输。该设备支持无线充电和低功耗运行，可以将神经信号无线传输到应用程序进行解码和处理。专用手术机器人则用于精确植入N1设备的电极，其设计能够最大程度减少组织损伤，提高植入效率。
ImPULS技术对比传统的植入型神经刺激器优势
神经刺激在治疗神经系统疾病方面具有革命性潜力，但现有的神经接口在深脑区域的空间分辨率和效能上面临显著局限。传统的电极刺激装置由于组织衰减和免疫反应难以实现精准的深脑定位。本研究开发了一种植入式压电超声波刺激器（ImPULS），旨在通过超声波调节神经元活动，克服上述问题。
a. 图示展示了植入于野生型小鼠皮层下脑区的植入式压电超声刺激器（ImPULS）b. 剖开视图示意图展示了ImPULS的各层结构。ImPULS是压电微机械超声换能器（pMUT）结构，其中生物相容性的钾钠铌酸盐（KNN）夹在两层薄的SU-8层之间，压电薄膜膜片下方形成了一个充气腔和一个背衬层。c. ImPULS与柔性ACF电缆和定制印刷电路板（PCB）组装的光学图像，右上插图为ImPULS探针的放大图，左下插图为显微镜下进一步放大的探针尖端（超声单元）。比例尺分别为5毫米、2毫米和100微米。d. ImPULS的彩色横截面扫描电子显微镜（SEM）图像。设备由以下部分组成：(1) SU-8封装层，(2) 顶部Pt电极，(3) KNN薄膜，(4) 底部Au电极，(5) SU-8膜层，(6) 气腔，以及(7) SU-8背衬层。比例尺分别为20微米和500纳米。
设计、制造与特性
ImPULS是一种柔性压电微加工超声换能器，能够产生100 kPa的超声聚焦压力。该装置采用了一种包含生物相容性材料钾钠铌酸盐（KNN）的全封装结构，通过转印工艺实现超声刺激器的制造。我们验证了其电机械特性和在不同声学和热组织模拟介质中的共振行为。
a. ImPULS在空气和水中的阻抗和相位角谱，展示了两种介质中的谐振频率。b. 使用激光多普勒测振仪（LDV）测量空气和水介质中ImPULS的位移，输入电压为4 V (p-p)，输入信号分别为周期啁啾信号（下）和正弦信号（上）。c. 以输入电压（p-p）为函数的ImPULS位移，插图展示了二维点扫描位移，表明设备光束的横向分辨率。误差条表示测量中的标准偏差，N = 3个设备。数据表示平均值±SD。d. ImPULS的模拟声压分布图，展示了球形压力分布。e. 使用光纤水听器在不同距离测量的模拟和实验压力比较。误差条表示测量中的标准偏差，N = 3个设备。数据表示x和y方向的平均值±SD。f. 在z = 15微米处测量的ImPULS产生的压力的二维映射。比例尺为25微米。g. 老化测试期间，每隔24小时拍摄的ImPULS显微图像（左）和测试开始前后7天的标准化位移。比例尺为100微米。误差条表示测量中的标准偏差，N = 3个设备。数据标准化为每个设备在第0天测量的位移。第8天的数据表示平均位移±SD。h. 当连续正弦信号500 kHz、20 V (p-p)应用于ImPULS时，水介质中的温度变化。超声开启10分钟，关闭10分钟，再开启10分钟。i. 在z = 15微米处测量的ImPULS产生的温度的二维映射。比例尺为25微米。
神经元刺激验证
在体外小鼠海马切片实验中，ImPULS成功激活了局部神经元。进一步在麻醉小鼠海马体中，ImPULS刺激诱导了活动依赖性基因c-Fos的表达，显示出较高的神经元激活效果。此外，通过刺激麻醉小鼠的黑质致密部多巴胺能神经元，实现了黑质-纹状体通路中多巴胺释放的时间锁定调节。
a. 实验设计和手术过程的示意图，b. 不同实验条件下海马的代表性图像：未刺激（顶部）、500 kHz连续波刺激60秒（中间），以及500 kHz、10%占空比刺激60秒（底部）。黄色虚线框区域近似表示用于细胞计数的背侧CA1（dCA1）区域。比例尺为450微米。彩色虚线框表示放大部分的区域。比例尺为100微米。c. 在不同实验条件下，dCA1区域内cFos+细胞的归一化面积（单向ANOVA；N = 4只未刺激对照植入小鼠；N = 3只500 kHz条件小鼠；N = 3只500 kHz、10%占空比条件小鼠；未刺激与500 kHz：p = 0.0506；未刺激与500 kHz、10%占空比：p = 0.0184）。这段内容展示了在麻醉小鼠的实验中，通过不同频率和模式的超声波刺激，对海马背侧CA1区域的神经元激活效果进行了评估。实验设计图和代表性图像帮助直观展示了实验过程和结果，通过统计分析验证了不同条件下神经元激活的显著性差异。
耐久性与生物相容性
ImPULS的耐久性在加速老化测试中表现良好，显示出其在长时间植入期间的稳定性。通过体内实验，证明了该装置在植入后能够有效工作，并且在组织最接近换能器的区域未引发显著的微胶质细胞激活反应，显示出良好的生物相容性。
a. 在自适应电压老化测试期间，每隔24小时拍摄的ImPULS显微镜图像。比例尺为100微米。b. 为保持ImPULS位移在120纳米所需的应用电压变化情况，测试持续7天。误差条表示测量中的标准偏差，N = 3。c. 在7天内的标准化位移。位移通过将测量的位移除以120纳米进行标准化，120纳米是整个实验期间要保持的目标位移。误差条表示测量中的标准偏差，N = 3（a.u. = 任意单位）。
ImPULS制造工艺
ImPULS采用了湿法刻蚀图案和转印技术，从硅片上剥离并转移到聚合物基底上，形成具有化学抗性和生物稳定性的换能器。该装置的各个层次包括SU-8基底、封装和背衬层、压电KNN层、以及电极和金属互连。
a. 显微镜图像展示了包含9个压电元件的微加工阵列。比例尺为200微米。b. 激光多普勒测振仪（LDV）响应显示了在0-2 MHz范围内周期啁啾激励下的9个元件的位移，这些元件的位移是同相的。c. 阵列元件的平均频率响应，显示其谐振频率接近500 kHz。
电机械特性与声学性能测试
通过电阻抗谱和声压测量，验证了ImPULS在不同介质中的共振频率和声学性能。加速老化测试和电机械疲劳测试显示了其在长时间使用中的耐久性和稳定性。
a. 双光子成像设置的示意图，展示了冠状海马切片和放大后的ImPULS设备。人工脑脊液（aCSF）在浴中循环，功能发生器连接到浴外的引线，为超声刺激提供激励， b. 刺激区域和设备上方约100微米处的靶向神经元视图。比例尺为50微米。c. 显示三个感兴趣区域（ROI）的‘刺激关闭’时期之前的平均帧。每个ROI的归一化最大荧光变化显示为图像掩码，对应的原始轨迹显示在整个记录会话期间。比例尺为50微米。
动物实验
在麻醉小鼠中，植入ImPULS并通过纤维光度法记录多巴胺释放，验证了其在体内神经调节中的有效性。组织学染色结果显示，在长期植入后，ImPULS对组织的微胶质激活反应较小，具有良好的生物相容性。
a. 实验方法的示意图，展示了刺激黑质致密部（SNc）多巴胺能（DA）神经元的过程，包括目标植入位置和DA2m传感器表达的术后组织学验证。b. DA2m荧光响应的平均值，分别用于对照组（右上）和SNc刺激试验（右下）。每次试验的荧光平均热图，用于对照组（左上，3只小鼠）和SNc刺激试验（左下，3只小鼠）。实线数据表示平均数据，带状区域表示±SD。c. DA2m荧光在各次刺激试验中的Z评分完整记录，实线和虚线红线分别表示刺激的开始和结束（5秒，1500 Hz，50%占空比）。d. 曲线下面积（AUC）分析，比较刺激前5秒和刺激期间5秒的平均对照组和SNc刺激试验（每组3只小鼠）。重复测量的双向ANOVA分析，使用Sidak多重比较检验（***p = 0.0009，****p < 0.0001）。这段内容展示了在麻醉小鼠实验中，通过刺激黑质致密部的多巴胺能神经元，评估黑质-纹状体通路中多巴胺释放的效果。实验方法图和代表性图像直观展示了实验过程和结果，通过统计分析验证了不同条件下多巴胺释放的显著性差异。
讨论
本研究展示了一种微型植入式超声刺激器能够在深部脑区调节神经活动和多巴胺生产。ImPULS的设计和制造方法具有可扩展性，能够适应不同的应用需求。未来的研究将进一步优化该装置的参数空间，探讨其在基础神经科学研究和潜在治疗应用中的多种可能性。
最后惯例一张AI图：
参考文献
Hou, Jason F., Md Osman Goni Nayeem, Kian A. Caplan, Evan A. Ruesch, Albit Caban-Murillo, Ernesto Criado-Hidalgo, Sarah B. Ornellas et al. "An implantable piezoelectric ultrasound stimulator (ImPULS) for deep brain activation." Nature Communications 15, no. 1 (2024): 4601.
"怀长期主义，聊医工科技"
我是超哥，超声行业17年老伙计，做过研发，搞过生产，趟过市场，开过（在开）公司；越野跑爱好者；工作狂；沟通粗暴直接；严苛完美主义者；起伏皆为过往；信奉长期主义和第一性原则；欢迎来聊来组局...
