2024.09.11. 成均馆大学、韩国科学技术研究院团队在《Nature Electronics》(IF=33.7) 上发表文章 “A shape-morphing cortex-adhesive sensor for closed-loop transcranial ultrasound neurostimulation”，用于闭环经颅超声神经刺激的形状变形皮质粘附传感器。
经颅聚焦超声(tFUS)由于其空间分辨率和深度穿透性，对耐药性癫痫展现出有希望的非侵入性治疗效果。虽然之前的转化研究证明了在动物模型中进行tFUS刺激对癫痫发作的抑制作用，但这些研究仅在麻醉或具有相对轻微癫痫行为症状的清醒动物中得到验证，并没有考虑状态的神经活动。我们需要的是一个闭环系统，该系统能够根据刺激系统中准确的神经生理学反馈确定的癫痫发作的严重程度进行最佳治疗设置。在这方面，具有适形接触、生物-非生物界面坚固固定和机械适应的软脑装置对于早期检测致痫组织产生的高频振荡(HFO)（80-500 Hz）和向闭环tFUS神经刺激系统提供持久的神经生理学反馈至关重要。本研究报告了一种用于闭环经颅超声神经刺激的形状变形皮质粘附( shape-morphing cortex-adhesive, SMCA)传感器。SMCA传感器由儿茶酚偶联海藻酸盐(Alg-CA)粘弹性水凝胶粘合剂、可拉伸的薄(~3μm)16通道微电极阵列和粘塑性自修复聚合物(SHP)基板组成，并与脉冲控制的经颅聚焦超声装置耦合。SMCA可以为弯曲的皮质表面提供适形且坚固的粘附，并且本研究证明它能够在经颅聚焦超声神经刺激期间在清醒的癫痫啮齿动物中记录稳定的神经信号。传感性能允许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。SMCA传感器的皮质接口步骤如下。首先，通过Alg-CA水凝胶在接触处的瞬时凝胶化实现稳健的组织粘附，其中涉及通过用溶胀的水凝胶填充界面微空隙区域来实现共形接触、组织-装置界面的模拟大脑刚度匹配以及共价或非共价键的形成。其次，贴片的形状变形过程和完全的粘附凝胶化导致脑皮层褶皱的共形接触，这是SHP基底的粘塑性行为和膨胀的Alg-CA水凝胶的粘弹性的协同作用。最后，无应力生物电子界面涉及由于SHP基底的动态应力松弛而在皮质上有效耗散变形诱导的压缩应力能量。![]()
图1. 用于超稳定大脑接口的SMCA传感器实现闭环tFUS神经治疗
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图2. SMCA的脑接口功能
图3. 通过直接转印工艺制造的可拉伸微皮质电图(ECoG)阵列
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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
图5. tFUS诱导的体内实时癫痫发作控制与高频振荡(HFO)检测触发的预尖峰波刺激![]()
图6. 具有SMCA传感器监控反馈的闭环癫痫控制系统tFUS剂量调节
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https://doi.org/10.1038/s41928-024-01240-x
