赖斯团队在人类中展示了微型脑刺激器

莱斯大学的工程师已经开发出最小的植入式脑刺激器，在人类患者中得到证明。得益于开创性的磁电功率传输技术，Jacob Robinson 的 Rice 实验室与 Motif Neurotech 和临床医生 Dr. 合作开发了这款豌豆大小的设备。 萨米尔·谢斯（Sameer Sheth）和博士 Sunil Sheth 可以通过外部发射器无线供电，并用于通过硬脑膜刺激大脑⎯ 附着在颅骨底部的保护膜。

该设备被称为数字可编程脑上治疗（DOT），可以通过提供一种治疗替代方案来彻底改变耐药性抑郁症和其他精神或神经系统疾病的治疗，该治疗方案提供比目前基于神经刺激的疗法更大的患者自主权和可及性，并且比其他脑机接口（BCI）侵入性更小。

“在这篇论文中，我们展示了我们的设备，豌豆大小，可以激活运动皮层，导致患者移动他们的手，”莱斯大学电气和计算机工程以及生物工程教授罗宾逊说。“在未来，我们可以将植入物放置在大脑的其他部分之上，比如前额叶皮层，我们希望在那里改善抑郁症或其他疾病患者的执行功能。

现有的用于脑刺激的植入式技术由相对较大的电池供电，这些电池需要放置在身体其他部位的皮肤下，并通过长线连接到刺激装置。这种设计限制需要更多的手术，并使个人承受更大的硬件植入负担、电线断裂或故障的风险以及未来更换电池手术的需要。

“我们通过使用外部发射器为设备无线供电，消除了对电池的需求，”罗宾逊实验室的电气工程研究生Joshua Woods解释说，该研究发表在《科学进展》上。阿曼达·辛格（Amanda Singer）是赖斯应用物理学项目的前研究生，现在在Motif Neurotech工作，也是主要作者。

该技术依赖于一种将磁场转换为电脉冲的材料。这种转换过程在小尺度上非常有效，并且具有良好的错位容差，这意味着它不需要复杂或微小的操纵来激活和控制。该设备的宽度为 9 毫米，可提供 14.5 伏的刺激。

“我们的植入物通过这种磁电效应获得所有能量，”罗宾逊说，他是Motif的创始人兼首席执行官，Motif是一家通过Rice Biotech发射台成立的初创公司，致力于将该设备推向市场。“在这种条件下，这种功率传输的物理特性使其比任何其他无线电力传输技术都更有效。

Motif 是几家正在探索 BCI 彻底改变神经系统疾病治疗潜力的神经技术公司之一。

罗宾逊说：“神经刺激是在心理健康领域进行治疗的关键，药物副作用和缺乏疗效使许多人没有足够的治疗选择。

研究人员在人类患者中暂时测试了该设备，用它来刺激运动皮层⎯大脑中负责运动的部分⎯并产生手部运动反应。接下来，他们展示了该设备在猪体内稳定地与大脑连接30天。

“这以前没有做过，因为通过硬脑膜刺激大脑所需的信号的质量和强度以前不可能用这么小的植入物的无线电力传输，”伍兹说。

罗宾逊设想在舒适的家中使用这项技术。医生会开出治疗处方并提供使用该设备的指南，但患者将保留对治疗方式的完全控制权。

“回到家里，患者会戴上帽子或可穿戴设备，为植入物供电并与之通信，在他们的iPhone或智能手表上按下’go’键，然后植入物的电刺激将激活大脑内的神经元网络，”罗宾逊说。

植入需要30分钟的微创手术，将设备放置在大脑上方的骨头中。植入物和切口几乎都是看不见的，患者将在同一天回家。

“当你想到心脏起搏器时，它是心脏护理的一个非常常规的部分，”贝勒医学院麦克奈尔学者和卡伦基金会神经外科教授兼研究副主席Sheth说。“在神经和精神疾病中，等价物是深部脑刺激（DBS），这听起来很可怕和侵入性。DBS实际上是一种相当安全的手术，但它仍然是脑部手术，其感知风险将对愿意接受它并可能从中受益的人数设置非常低的上限。这就是此类技术的用武之地。在门诊手术中心进行的 30 分钟小手术只不过是皮肤手术，比 DBS 更容易被耐受。因此，如果我们能够证明它与更具侵入性的替代品一样有效，那么这种疗法可能会对心理健康产生更大的影响。

对于某些疾病，例如癫痫，该设备可能需要永久或大部分时间处于开启状态，但对于抑郁症和强迫症等疾病，每天只需几分钟的刺激就足以带来目标神经元网络功能的预期变化。

就下一步而言，罗宾逊说，在研究方面，他“对创建植入物网络和创建可以刺激和记录的植入物的想法非常感兴趣，这样它们就可以根据你自己的大脑特征提供适应性个性化治疗。从治疗开发的角度来看，Motif Neurotech正在寻求FDA批准在人体中进行长期临床试验。患者和护理人员可以在 Motif Neurotech 网站上注册，以了解这些试验将在何时何地开始。

这项工作得到了罗伯特和珍妮丝麦克奈尔基金会，麦克奈尔医学研究所，DARPA和国家科学基金会的部分支持。

同行评议论文：

微型无电池硬膜外皮质刺激器 |科学进展 |DOI： 10.1126/sciadv.adn0858

作者：Joshua Woods、Amanda Singer、Fatima Alrashdan、Wendy Tan、Chufeng Tan、Sunil Sheth、Sameer Sheth 和 Jacob Robinson

https://doi.org/10.1126/sciadv.adn0858

视频可在以下网址获得：

https://youtu.be/jhAEpAJGKSE（视频由布兰登·马丁/莱斯大学提供）

图片下载/框链接：

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莱斯大学的雅各布·罗宾逊（Jacob Robinson）和他的研究团队开发了最小的植入式脑刺激器，在人类患者身上得到证明，可以彻底改变耐药性抑郁症和其他精神或神经系统疾病的治疗。（摄影：Jeff Fitlow/莱斯大学）

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图片说明：约书亚·伍兹（左起）、雅各布·罗宾逊和法蒂玛·阿拉什丹（摄影：Jeff Fitlow/莱斯大学）

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图片说明：莱斯大学的工程师们开发了第一个小型化脑刺激器，被证明可以在人类患者身上工作。（摄影：Jeff Fitlow/莱斯大学）

盒子链接：https://rice.box.com/s/il8b8lxzkekxxodzb1peqpjwcpv97a3c

链接：

罗宾逊实验室：www.robinsonlab.com

Sheth 实验室：https://www.bcm.edu/research/faculty-labs/functional-and-cognitive-neurophysiology-laboratory

Motif Neurotech：www.motifneuro.tech

水稻神经工程计划：neuroengineering.rice.edu

莱斯电气与计算机工程系：eceweb.rice.edu

赖斯生物工程系：https://bioengineering.rice.edu/

George R. Brown 工程学院：engineering.rice.edu