如何利用磁电效应将能量转移到组织中

两种类型的神经刺激已在临床上得到证实。脑深部刺激（DBS，https://spectrum.ieee.org/tag/deep-brain-stimulation）需要在脑组织深处植入电极，并将其连接到胸部的电池供电脉冲发生器。这涉及到大手术，但一旦技术到位，患者就可以毫无问题地生活——直到几年后电池需要更换。还有经颅磁刺激（TMS，https://spectrum.ieee.org/tms-for-addiction），即从头部外部传递强大的磁脉冲，以改变脑细胞的活动。该方法不需要手术，但患者需要经常到医院回诊，因为他们需要接受连续大约六周的治疗。

现在，有这样一项新技术可以两全其美：微创神经刺激设备，患者可以在自己家里操作。

发布在服务器medRxiv上的一篇预印本论文（https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2023.09.13.23295460v1）中，神经工程师描述了一种微小的无线设备，它可以植入头骨下方，位置在大脑周围一层叫做硬脑膜的保护膜上方。

该研究的合著者、莱斯大学教授Jacob Robinson告诉IEEE Spectrum，他预计该过程将耗时不到30分钟。之后，患者可以在可穿戴耳机的帮助下在家进行治疗，该耳机可以向植入物传输功率和指令。Robinson还是Motif Neuroscience的联合创始人，这是一家试图将该技术商业化的初创公司。

他说，“真正的突破”是该设备的无线电力传输系统。它始于可穿戴耳机中的一个发射器，该发射器发射磁场。植入物中有一种磁电材料，它在磁场的存在下振动，还有另一种将这些振动的机械能转化为电的成分。

Robinson说，这项技术与将超声波与压电晶体配对所做的工作有点相似，压电晶体将声波振动转化为电能，并可以为微小的神经植入物提供动力。Robinson说：“超声波的挑战在于，很难与焦斑对齐，也很难穿过空气或骨骼，因为有所有这些反射界面。”

在对一名已经在接受脑部手术的人类志愿者进行的概念验证实验中，Robinson的团队证明了他们的微型设备（直径约9毫米）可以通过硬脑膜刺激大脑。他们将植入物放置在硬脑膜上，并位于大脑中控制运动的运动皮层上方；当他们打开设备时，志愿者的手收缩了。该实验类似于TMS诊所校准设备的方式：在患者治疗开始时，技术人员将仪器放在运动皮层上，并打开电源，直到患者手上的肌肉收缩。

然而，从让手收缩到为患者提供持久的疾病缓解（如抑郁症），这是天壤之别。事实上，抑郁症已经用TMS治疗了，它也是DBS试验的目标应用。DBS首席研究员、西奈山卫生系统神经学家Helen Mayberg表示，她期待着看到“这项技术如何在运动皮层以外的大脑位置使用”。

研究人员的下一步——这是一个重大的步骤——将是美国食品药品监督管理局批准的临床试验，看看他们的大脑刺激器是否对抑郁症患者有治疗作用。如果它通过了这项测试，他们的技术可以被考虑用于许多其他神经精神疾病，这些疾病是最近有希望的TMS试验的重点，包括强迫症、成瘾、阿尔茨海默氏症和创伤后应激障碍。

卡内基梅隆大学研究下一代神经接口的副教授Maysam Chamanzar表示，预印本中的结果给他留下了深刻印象。“利用磁电效应将能量转移到组织中是一个有趣的想法，”他这样告诉Spectrum，“无线传输的功率和植入物的电压水平令人鼓舞。” Chamanzar说，他希望看到有关该设备可靠性和安全性的长期数据。他还想知道该设备是否可以在不牺牲太多效率的情况下进一步小型化，以及它是否可以通过硬脑膜精确瞄准大脑的小区域。但“这项工作显示了伟大的第一步”，他说。

Robinson认为Motif的技术比TMS有几个优势。他指出，一些研究表明，增加TMS治疗的持续时间或频率可能会产生更好的结果，而Motif的家庭治疗方案可以很容易地改变这些变量。此外，未来的临床试验可能会在不同的地方植入几种植入物，以改变神经回路中多个位置的大脑活动。最后，该设备可以做的不仅仅是刺激大脑；它还可以记录其电活动，以便收集治疗效果的数据。人们对“闭环”系统非常感兴趣，它利用患者对刺激的反应来进行调整。

Robinson说，这项技术的设计为未来的改进留下了很大的空间。“分离植入物和可穿戴设备令人兴奋的是，”他说，“植入物可以具有刺激和记录等功能，之后我们可以更新可穿戴设备，以支持闭环神经调控等功能。我们的愿景是，随着时间的推移，我们可以使用同一植入物或植入物网络解锁患者特异性和适应性疗法。”

 

        审核编辑：彭菁