可注射柔性网状脑电极,有望治疗帕金森症


哈佛大学(Harvard University)化学教授及纳米材料学先驱——查尔斯·利伯(Charles Lieber)实验室研究者在《Nature Methods》杂志上发布了最新的电子脑接口研究成果:可注射柔性网状脑电极,能够在小鼠大脑实现单神经元细胞水平的细胞活动的长期、稳定监测,有望成为神经性疾病如帕金森症的新疗法。



电子脑接口对于治疗神经性疾病如帕金森症等至关重要。因为神经性疾病通常会引起大脑特定区域的一组神经元细胞逐渐凋亡,继而引发不可控的战栗或颤抖。而对病变区域针对性的电刺激,将有助于刺激神经元细胞恢复正常形态进而改善帕金森症状。


目前,神经性疾病患者的症状可以借助称为深部脑刺激(deep brain stimulation)的电疗得以缓解。然而,深部脑刺激疗法的局限性很大。这种疗法涉及到向大脑植入坚硬、密集的电极。由于脑组织十分柔软,植入电极4周后,大脑开始产生疤痕组织(scar tissue)。并且,让电极穿过脑组织有效工作的唯一办法就是加大刺激神经元的电压,而加大电压又十分危险。此外,有时候还需要进行额外的手术替换植入电极。


▲  利伯教授2007年的笔记描述了柔性网状脑电极的初始构想


查尔斯·利伯团队提出了非常新颖的构思:电子脑接口应该能反应大脑本身的细节。大脑神经元细胞彼此间相互连接,形成带孔隙的神经元网络,保证蛋白分子和液体能够顺利穿过。所以,电子脑接口也应该是柔性的交叉网格,为神经元细胞的附着留有孔隙,而不是用一个四四方方的实体电极将神经元细胞挤到其周围。


▲  左图:硅片上批量生产的柔性网状脑电极——两层聚合物层之间加入金导线层。右图:细节放大图,中部较大的接触电极(圆形)用于对神经元细胞施加电刺激,而较小的接触电极用于测量神经元的响应。


利伯团队设计的电子脑接口是一种极其柔软的条带状网格电极,具有夹心“三明治”结构——上下各一层柔性聚合物薄层中间夹入金导线层。这种柔性网状电极极易卷曲形成细长针状,所以可以通过针头注射而避免了大量的手术移植。


实验时,将柔性网状脑电极通过小鼠颅骨穿孔一部分注射入大脑,一部分外接电脑以控制施加电刺激和监测神经元活动。据利伯称,最终将实现控制部分和电源供给部分的完全体内植入。


▲  针管装载柔性网状脑电极,网状有助于缓解注入电极对神经元细胞的破坏。


利伯实验室的博士后Guosong Hong说:“这种柔性网状脑电极模糊了活体系统与非活体系统的界限。”


跟据研究者预测,该柔性网状脑电极也可用于帕金森症以外的神经性疾病。相比于当今的药物治疗波及整个大脑神经系统以及引起一系列副作用,该方法有可能对抑郁症(depression)和精神分裂症(schizophrenia)提供更精准的治疗。


虽然其前景十分可观,但实现应用的第一步还是要做人体实验。目前,利伯实验室正与麻省总医院(Massachusetts General Hospital)的医生合作,很快将开展该柔性网状脑电极用于癫痫症(epilepsy)患者的人体实验。




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