柔性纳米电极可以提供细粒度的大脑刺激

为刺激大脑而设计的传统植入式医疗设备 对于身体最柔软、最脆弱的组织之一来说通常过于坚硬和笨重。

为了解决这个问题，莱斯大学的工程师们开发了微创、超柔韧的纳米电极，可以作为植入平台，用于进行长期、高分辨率的刺激治疗。

根据 发表在Cell Reports上的一项研究，微型植入式设备形成了稳定、持久和无缝的组织电极界面，在啮齿动物中形成的疤痕或退化最小。与来自传统皮质内电极的刺激相比，这些设备传递的电脉冲与神经元信号模式和振幅更接近。

该设备的高生物相容性 和精确的时空刺激控制可以促进新的大脑刺激疗法的开发，例如用于感觉或运动功能受损患者的神经元假体。

“这篇论文使用成像、行为和组织学 技术来展示这些组织集成电极如何提高刺激的效果，”该研究的通讯作者、电气和计算机工程助理教授Lan Luan说。“我们的电极发出微小的电脉冲，以非常可控的方式激发神经活动。

“我们能够将引发神经元激活所需的电流减少一个数量级以上。脉冲的持续时间可能只有几百微秒， 幅度可能 只有一到两微安。”

由Rice Neuroengineering Initiative的研究人员开发的新电极设计 代表了对用于治疗帕金森病、癫痫 和强迫症等疾病的传统植入式电极的重大改进，这些疾病可能导致不良组织反应和神经活动的意外变化。

“传统电极具有很强的侵入性，”电气与计算机工程副教授、该研究的通讯作者Chong Xie说。“他们一次招募数千甚至数百万个神经元。

“这些神经元中的每一个都应该以特定的模式有自己的调谐和协调。但是当你同时电击它们时，你基本上是在破坏它们的功能。在某些情况下，这对您来说效果很好并且具有理想的治疗效果。但是，例如，如果你想对感官信息进行编码，你就需要对刺激进行更大程度的控制。”

Xie 将通过传统电极进行的刺激比作在一屋子人中“在每个人的耳朵里吹气喇叭或让扬声器发出刺耳的声音”的破坏性影响。

“我们曾经有一个非常大的扬声器，现在每个人都有一个耳机，”他说。

调整信号的频率、持续时间和强度的能力可以促进新型感官假肢设备的开发。

“如果你使用更大的电流，神经元的激活就会更加分散，”Luan 说。“我们能够减少电流，并表明我们的激活更加集中。这可以转化为更高分辨率的刺激设备。”

Luan 和Xie 是 Rice Neuroengineering Initiative 的核心成员，他们的实验室还在合作开发用于盲人患者的植入式视觉假肢设备。

“设想有一天能够植入电极阵列以恢复受损的感觉功能：神经元的激活越集中和仔细，你产生的感觉就越精确，”Luan 说。

该设备的早期迭代 用于记录大脑活动。

“我们已经有一系列出版物表明， 我们的电极的超柔性设计实现了这种紧密的组织整合，确实提高了我们长时间记录大脑活动的能力，并且具有更好的信噪比，”已晋升为助理教授的 Luan 说。教授于 7 月 1 日生效。

电气和计算机工程博士后助理 Roy Lycke 和研究生 Robin Kim 是这项研究的主要作者。

国家神经疾病和中风研究所 (R01NS109361, U01 NS115588) 和赖斯内部资金支持了这项研究。