脑机接口新突破：无线多点模式电刺激平台实现精准神经调控
脑机接口新突破：无线多点模式电刺激平台实现精准神经调控
脑机接口（BCI）技术迎来重大突破！韩国研究团队在《自然通讯》杂志上发表最新研究成果，开发出一种无线多点模式电刺激平台，通过硅微芯片网络实现对大脑皮层的精确刺激。这一创新技术不仅能够以更高的精确度和灵活性对大脑皮层进行刺激，还可能为帕金森病、癫痫等神经性疾病的治疗带来新的希望。
在脑机接口（BCI）领域，实现对大脑皮层的精确刺激以传递有意义的信息是一项技术挑战。当前的研究目标是在大脑的感觉区域注入具有空间结构的局部电流刺激，以模拟或恢复感觉、运动等功能。尽管传统的脑刺激方法如深脑刺激（DBS）和表面刺激已在临床上取得一定成功，但它们在精确性和灵活性方面存在限制。随着微电子技术和生物医学工程的进步，硅微电极阵列（MEAs）等技术被用于提供简单的电流刺激模式，以评估微刺激的效果。然而，这些单体植入式电极存在一些缺点，如固定的电极配置、有限的通道数，以及有限的皮层覆盖范围。
为了克服这些限制，研究者们提出了一种无线多点模式电刺激方法，通过空间分布的硅微芯片网络实现对大脑皮层特定区域的刺激，旨在提供更精细的控制和更高的空间分辨率，同时减少手术侵入性，降低感染风险，并提高患者的舒适度。
2024年11月21日，A. H. Lee, J. Lee等研究学者在国际顶尖期刊《自然通讯》上发表了题为《Patterned electrical brain stimulation by a wireless network of implantable microdevices》的研究论文。本研究旨在介绍一种无线多点模式电刺激方法，通过空间分布的硅微芯片网络实现对大脑皮层特定区域的刺激。
研究成功展示了一种无线多点电刺激平台
该平台能够通过空间分布的硅微芯片网络在大鼠皮层的感觉和运动区域进行模式化电刺激，并且能够在低于监管安全限制的平均射频功率下对训练有素的动物行为产生影响。
分布式微刺激器系统示意图
实时控制与刺激参数编程
通过一个预设的、无冲突的位图无线通信协议，实现了对植入网络中每个芯片注入电流的幅度、周期和重复率的实时控制。
低射频功率暴露
该系统能够在实际脉冲电流刺激期间传输无线功率，以生成空间-时间模式化的刺激，显著降低了总平均射频功率暴露，确保其保持在监管安全限制以下。
长期待植与行为实验
在自由移动的大鼠身上进行了为期三个月的测试，证明了系统的稳定性和长期功能，同时在动物行为实验中观察到了明显的神经调控效果。
行为反应与刺激关系的验证
通过训练大鼠进行杠杆按压任务，研究者能够评估动物对电流刺激的感知能力，发现动物能够成功地区分有无刺激的情况，并作出相应的行为反应。
无线刺激器网络在台架和急性体内大鼠模型上的模式刺激演示
低占空比下的神经调控
即使在低射频占空比传输条件下，系统仍能通过单个微刺激器在不到3毫秒内访问多达1000个微刺激器，以传递复杂的皮层兴奋动态模式，表明即使是在低功率条件下也能实现有效的神经调控。
系统稳定性与安全性
通过对无线链接的稳定性和慢性植入的稳定性进行评估，研究证明了该系统在长期植入和使用中的稳定性和安全性，这对于未来的临床应用至关重要。
慢性植入自由移动大鼠中3线圈无线链路的稳定性
上述研究结果表明，该无线多点电刺激平台不仅能够实现精确的空间-时间控制，还能够在保证安全性的前提下，为神经科学研究和临床神经技术提供新的工具和方法。
编者按
临床意义
本研究开发的无线多点模式电刺激平台为神经调控提供了一种新的工具，它能够以更高的精确度和灵活性对大脑皮层进行刺激，这对于治疗帕金森病、癫痫等神经性疾病以及恢复感觉和运动功能具有潜在的重要价值。
科研方面
该平台的成功实现为未来脑机接口技术的发展开辟了新的道路，特别是在实现复杂脑区的精细刺激和模拟自然感觉方面，它提供了一个强大的研究工具。此外，这种无线技术减少了手术侵入性，降低了感染风险，并可能改善患者的接受度和治疗依从性。长远来看，这一技术的进步有望推动神经科学研究的深入，促进新型神经刺激疗法的开发，并最终转化为临床上的有效治疗手段。
原文链接：
【1】Piech, D. K. et al. A wireless millimetre-scale implantable neural stimulator with ultrasonically powered bidirectional communication. Nat. Biomed. Eng. 4, 207–222 (2020).
【2】https://doi.org/10.1038/s41467-024-54542-1