无需开颅植入电极 超声波技术实现无创“读脑”

无需开颅植入电极超声波技术实现无创“读脑”解剖记录平面和行为任务。图片来源：物理学家组织网2021年，加州理工学院研究人员开发了一种使用功能性超声读取大脑活动的方法，这是一种侵入性小得多的技术。超声波成像的工作原理是发射高频声音脉冲，然后测量这些声音振动在物质（如人体的各种组织）中的回声。声波在这些组织类型中以不同的速度传播，并在它们之间的边界反射。这项技术通常用于拍摄子宫内胎儿的图像及其他诊断成像。由于头骨不能透过声波，因此使用超声波进行脑部成像需要在头骨上安装一个透明的“窗口”。超声波技术不需要植入大脑本身，这大大降低了感染的机会，并使脑组织及其保护性硬脑膜完好无损。神经元活动的变化会引起它们对氧气等代谢资源的利用发生变化。这些资源通过血液重新补充，这是功能性超声波的关键。在这项研究中，研究人员使用超声波来测量流向特定大脑区域的血流的变化。就像救护车的警报声随距离远近而改变音调一样，红细胞会在反射的超声波接近声源时增高音调，而在远离声源时降低音调。通过测量这种多普勒效应，研究人员可以记录大脑血液流动的微小变化，空间区域只有100微米宽，大约为一根头发那么宽。他们能够同时测量广泛分布在整个大脑中的微小神经细胞群的活动，其中一些小到只有60个神经元。研究人员使用功能性超声来测量非人灵长类动物顶叶后皮质（PPC）的大脑活动，该区域负责规划并帮助执行运动。实验动物被教会了两项任务：移动手来引导屏幕上的光标，移动眼睛看屏幕的特定部分。它们只需要考虑执行任务，而不是实际移动眼睛或手，因为BMI可以读取它们的大脑活动。超声波数据被实时发送到解码器，然后生成控制信号，将光标移动到希望的地方。BMI能够成功地对8个径向目标执行此操作，而平均误差很小。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1401725.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1401725.htm

刺激大脑的粒子使超声波爆发产生电击效果 可用于缓解帕金森症状

刺激大脑的粒子使超声波爆发产生电击效果可用于缓解帕金森症状压电粒子在受到物理力的作用下会发出电脉冲。它们已被研究用于各种应用，包括从公路上的交通运动中获取能量，帮助膝关节软骨的再生，以及治愈口腔中受损的牙龈。在韩国浦项科技大学的研究人员与美国佐治亚理工学院的一位同事进行的一项新研究中，压电溴化钾颗粒被涂上了一氧化氮，这种材料使它们能够通过血脑屏障（BBB）。这道屏障是大脑血管内致密的细胞网络，可以防止不必要的毒素和病原体通过。纳米颗粒在培养皿和活体小鼠体内都进行了测试。在这两种情况下，当粒子被超声波脉冲击中时，它们会释放出一氧化氮，这使它们能够穿过BBB。由于声波的力量，它们还产生了电流，刺激了它们周围的细胞，与目前大脑刺激设备中的植入线具有相同的功能。事实上，在患有帕金森病的小鼠身上，研究人员报告说，"超声波反应性纳米粒子减轻了疾病的症状，而没有造成明显的毒性。"除了帮助控制像帕金森病和癫痫这样的神经元疾病的症状外，深层脑刺激也可用于控制强迫症。此外，它还被研究为限制暴饮暴食、缓解抑郁症和帮助记忆和学习的一种方式。虽然植入脑电刺激器的手术成功率高，但它具有与所有手术一样的健康风险，包括感染和过度出血。这意味着，一种不需要手术的向大脑提供电脉冲的方法可以使这种治疗更广泛地使用，而且风险大大降低。这项研究已经发表在《自然-生物医学工程》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1337741.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1337741.htm

光激活的生物降解植入物可用于向病人按需提供药物

光激活的生物降解植入物可用于向病人按需提供药物虽然已经有各种在体内配药的植入物，但它们中的大多数要么不能被外部控制，要么最终必须通过手术切除。然而，一种新的植入物利用光来避免这两个问题。另一种类型的植入物可以通过无线电信号或其他方式远程激活，但它含有不可生物降解的电子元件。这意味着，如果病人不希望该设备无限期地留在他们的身体里，在那里它可能会导致未来的问题，它必须在第二次手术过程中被移除。由芝加哥ShirleyRyan能力实验室和西北大学的科学家开发的实验性新设备结合了两种类型植入物的最佳特点。植入物的另一个视图：雪莉-瑞安能力实验室目前的原型由镁、钼和一种聚酸酐聚合物制成--所有这些都是可生物降解的--并由三个充满药物的储存器组成，每个储存器都被纳入一个可生物降解的电池中。该电池的阳极密封储液器，并通过一个光敏晶体管与阴极相连。光电晶体管的电阻在暴露于某种波长的光线下会下降，使电池短路。蓄水池的密封阳极因此而被腐蚀，使药物扩散到周围的组织中。由于每个储存器的光电晶体管对不同波长的光敏感，该植入物能够分别释放药物三次--每次使用不同类型的光。在迄今为止进行的实验室测试中，该植入物被成功用于释放大鼠的止痛药物利多卡因。光源由三个不同颜色的外部LED组成，它们穿过动物的皮肤和植入部位的底层组织。雪莉-瑞安公司能力实验室的科林-弗朗茨博士说："这项技术代表了解决当前药物输送系统不足的一个突破--它可能对从阿片类药物的流行到如何精确地提供癌症治疗都有重要和全面的影响，"他与雪莉-瑞安公司的张亚明博士和西北大学的约翰-罗杰斯博士一起领导这项研究。有关这项研究的论文最近发表在《美国国家科学院院刊》上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1348703.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1348703.htm

科学家用放射性植入物消除小鼠的肿瘤 取得空前的临床前成功

科学家用放射性植入物消除小鼠的肿瘤取得空前的临床前成功杜克大学的工程师们开发了一种新的癌症治疗输送系统，并证明了其对该疾病最麻烦的一种形式的潜力。在最新发表的对胰腺癌小鼠的研究中，科学家们展示了放射性植入物如何能完全消除大多数啮齿动物的肿瘤，他们说这是在这些临床前模型中研究的最有效的治疗方法。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1329439.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1329439.htm

比马斯克脑机接口更精确微创 超声波读脑大法来了

比马斯克脑机接口更精确微创超声波读脑大法来了医疗技术公司ForestNeurotech和医学影像公司ButterflyNetwork，已就研发这款微创超声脑机接口设备达成合作。要知道，像马斯克Neuralink、Paradromics和Synchron等都在开发与大脑进行“电”交互的脑机接口。那么相较之下，基于超声波的脑机接口有何优势？“创口”更小，空间定位更精确据介绍，传统的脑电刺激技术由于电流在脑组织中传播距离有限，所以在空间上受限较大。因此在刺激大脑深层区域时，需要通过侵入性手术将电极放置在相关位置。而仅在颅骨上安装深层植入物或电极只能记录大脑表层区域的神经活动。为此，开发团队表示正在研发一款微创超声植入物，只需要将其植入用户的头骨，放置在大脑表层，就能使用超声波灵活刺激和记录大脑特定区域的神经活动，且精度为亚毫米级。具体来说，由ButterflyNetwork提供超声芯片硬件支持，ForestNeurotech则使用这些超声芯片，通过引导和聚焦的超声波刺激大脑特定区域。然后，用一种名为功能性超声成像（fUSI）的神经成像技术来监测神经活动。fUSI原理也很简单：和所有细胞一样，神经元需要血液才能发挥作用，而神经元“活性”增加也就意味着大脑需要的血流量供给也要增加。fUSI正是利用超声波探测脑部血流量的微小变化，来推测出神经元的活动程度。具体做法是对大脑某一区域发射超声波，然后检测“回波”（受血流影响的反射波）。由于血液在运动时会引起“多普勒效应”，会轻微影响回波的振动频率。所以通过分析回波频率的变化，fUSI系统就可以判断出血流速度的变化，进而反推出那里的神经活动。公司简介据悉，这款超声波脑机接口设备将由ForestNeurotech、ButterflyNetwork两家公司联合开发。其中ForestNeurotech是在今年1月份刚刚成立的一家非营利性机构，专注于开发微创超声脑机接口。联合创始人有三位SumnerL.Norman、TysonAflalo、WilliamBiederman。上文提到的fUSI技术，正是CEOSumnerL.Norman最近参与的一项研究。此外，ForestNeurotech属于ConvergentResearch旗下机构，而ConvergentResearch是一个科学非营利组织孵化器，并且是SchmidtFuturesNetwork成员，前段时间刚宣布获得了5000万美元新慈善支持。ButterflyNetwork则是一家医学影像独角兽公司，由有着“生物科技领域的乔布斯”之称的JonathanRothberg于2011年创立。此前，ButterflyNetwork创造了首个使用超声芯片技术打造的手持式单探头全身超声系统ButterflyiQ+。目前，ForestNeurotech已与ButterflyNetwork达成为期5年的共同开发协议，Forest将支付2000万美元用于购买Butterfly超声芯片及服务。参考链接：[1]https://spectrum.ieee.org/bci-ultrasound[2]https://www.butterflynetwork.com/press-releases/co-development-agreement-with-forest-neurotech[3]https://www.vis.caltech.edu/documents/25496/Claire_Window_on_the_brain_2023.pdf...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1402773.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1402773.htm

生物相容性创新：MIT研发用于下一代植入物的柔软、可打印的无金属电极

生物相容性创新：MIT研发用于下一代植入物的柔软、可打印的无金属电极麻省理工学院的工程师们开发了一种不含金属、类似果冻的材料，它像生物组织一样柔软和坚韧，并能与传统金属类似地导电。这种新材料是一种高性能导电聚合物水凝胶，有朝一日可能会取代医疗设备电极中的金属。植入式电极主要由刚性金属制成，其本质是导电的。但随着时间的推移，金属会加重组织的负担，造成疤痕和炎症，反过来又会降低植入物的性能。现在，麻省理工学院的工程师们已经开发出一种不含金属、类似果冻的材料，它和生物组织一样柔软坚韧，并且可以和传统金属一样导电。这种材料可以被制成可打印的墨水，研究人员将其图案化为灵活的橡胶状电极。这种新材料是一种高性能导电聚合物水凝胶，有朝一日可能会取代金属，成为功能性的凝胶型电极，具有生物组织的外观和感觉。"这种材料的操作与金属电极相同，但由凝胶制成，与我们的身体相似，并具有类似的水含量，"医疗设备创业公司SanaHeal的联合创始人HyunwooYukSM'16PhD'21说。"它就像一个人造组织或神经。"麻省理工学院机械工程和土木与环境工程教授赵煊赫补充说："我们相信，我们第一次有了一种坚韧、牢固、类似果冻的电极，有可能取代金属来刺激神经，并与心脏、大脑和身体的其他器官对接。"赵、Yuk以及麻省理工学院和其他地方的其他人在《自然-材料》上报告了他们的结果。该研究的共同作者包括第一作者和麻省理工学院的前博士后周涛，他现在是宾夕法尼亚州立大学的助理教授，以及江西科技师范大学和上海交通大学的同事。一个真正的挑战绝大多数聚合物在本质上是绝缘的，这意味着电力不容易通过它们。但是，存在着一小部分特殊的聚合物，它们实际上可以通过其主体传递电子。一些导电聚合物在20世纪70年代首次被证明具有高导电性--这项工作后来被授予诺贝尔化学奖。最近，包括Zhao实验室的研究人员已经尝试使用导电聚合物来制造柔软的无金属电极，用于生物电子植入物和其他医疗设备。这些努力旨在制造柔软而坚韧的导电薄膜和贴片，主要是通过将导电聚合物的颗粒与水凝胶（一种柔软和海绵状的富水聚合物）混合。研究人员希望导电聚合物和水凝胶的结合将产生一种灵活的、生物相容的和导电的凝胶。但是到目前为止，制成的材料要么太弱太脆，要么表现出糟糕的电性能。Yuk说："在凝胶材料中，电气和机械性能总是相互对抗。"如果你改善凝胶的电性能，你必须牺牲机械性能，反之亦然。但在现实中，我们两者都需要：一种材料应该是导电的，同时也是有弹性和坚固的。这是真正的挑战，也是人们无法将导电聚合物制成完全由凝胶制成的可靠设备的原因。"在他们的新研究中，Yuk和他的同事们发现他们需要一种新的配方，将导电聚合物与水凝胶混合，以增强各自成分的电气和机械性能。Yuk说："人们以前依赖于这两种材料的均匀、随机混合。这种混合物产生了由随机分散的聚合物颗粒组成的凝胶。该小组意识到，为了分别保持导电聚合物和水凝胶的电气和机械强度，两种成分应以它们略微排斥的方式混合，这种状态被称为相分离。在这种略微分离的状态下，每种成分就可以将其各自的聚合物连接起来，形成长长的微观链，同时也作为一个整体进行混合。""想象一下，我们正在制作电气和机械意大利面条，"赵提出。"电学意大利面条是导电聚合物，它现在可以在材料上传输电力，因为它是连续的。而机械意大利面条是水凝胶，它可以传递机械力，并具有韧性和伸展性，因为它也是连续的。"研究人员随后调整了配方，将意大利面条的凝胶煮成墨水，他们将其送入3D打印机，并打印在纯水凝胶的薄膜上，图案类似于传统的金属电极。第一作者Zhou说："因为这种凝胶是可3D打印的，我们可以定制几何和形状，这使得它很容易为各种器官制造电接口。"研究人员随后将打印好的类似果冻的电极植入了大鼠的心脏、坐骨神经和脊髓。研究小组在动物身上测试了电极的电气和机械性能长达两个月，发现这些装置在整个过程中保持稳定，周围组织几乎没有炎症或疤痕。电极还能够将来自心脏的电脉冲传递给外部显示器，并向坐骨神经和脊髓提供小脉冲，这反过来又刺激了相关肌肉和肢体的运动活动。展望未来，Yuk设想，这种新材料的直接应用可能是用于从心脏手术中恢复的人。"这些病人需要几周的电力支持，以避免心脏病发作，这是手术的一个副作用，"Yuk说。"因此，医生在心脏表面缝合一个金属电极，并在数周内刺激它。我们可能会用我们的凝胶取代那些金属电极，以最大限度地减少并发症和副作用，目前人们只是接受。"该团队正在努力延长该材料的使用寿命和性能。然后，这种凝胶可以作为器官和长期植入物之间的软电接口，包括心脏起搏器和深脑刺激器。赵说："我们小组的目标是用类似Jell-O的东西来取代体内的玻璃、陶瓷和金属，这样它就更加良性，但性能更好，而且可以持续很长时间。这是我们的希望。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1365521.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1365521.htm