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电刺激|重磅！国内首款动物商用无线无源电刺激系统，将广泛应用于脑科学

随着神经调控技术的发展 ， 电刺激调控的应用也越来越广泛包括于神经康复再生、癫痫、老年痴呆、帕金森疼痛、抑郁、肥胖等神经相关的疾病调控研究 ， 作为传统的应用于动物科研实验上的电刺激系统目前主要有两种方案:
一种是直接采用有线连接 ， 使用前先将刺激电极植入到体内 ， 通过导线插头的形式与后端的刺激主机相连 ， 由于是外部供电及刺激调控 ， 所以不需要担心长时间供电问题 ， 但引线的加入会影响动物的舒适性 ， 长时间佩戴必须要解决引线缠绕问题 ， 也无法像正常动物那样进行一些常规的行为训练或其他技术的融合等 。
第二种刺激方案采用无线刺激模式 ， 这种方案将刺激模块小型化 ， 使得可以整体植入到动物体内 ， 通过外部指令来给出电刺激 ， 这种方案解决了带线产生的问题 ， 然而由于整体植入电路以及电池均在植入子里面 ， 最小的植入子重量也基本在10g以上 ， 对一些小动物如小鼠还是存在着问题 ， 而且体积受限 ， 电池的容量也不会很大 ， 往往持续工作几天电量就会耗尽 ， 无法满足那些长期慢性刺激实验的要求 。
为解决上述问题 ， 科斗（苏州）脑机科技团队开发出国内第一款商用极小化无线无源电刺激系统 ， 植入子最小仅有1-2g ， 只需要做一个微创手术将电极植入到刺激位点 ， 无线接收能量的部位埋置在皮下 ， 使用中将植入后的动物放置在无线发射板上 ， 指令以及能量均由面板提供 ， 刺激时长、频率、大小均由外部设备来控制 ， 植入子可以结合各种刺激电极来使用 ， 如cuff电极、柔性贴片电极、单双通道金属电极等 ， 以适用不同的刺激部位的需求 。
电刺激|重磅！国内首款动物商用无线无源电刺激系统，将广泛应用于脑科学
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无线无源刺激原理
该系统添加有外部接口 ， 可以和其他如电生理、光遗传、行为系统设备进行结合 ， 进行更复杂的神经环路问题的研究 。
应用场景一：神经再生
运动是由神经调控 ， 每年由于车祸或各种意外导致神经损毁（包括中枢和外周神经）而失去运动能力的人非常多 ， 目前对于神经损毁的问题 ， 医生能做的也只是将神经重新连接 ， 但完全恢复功能还是很有难度 ， 术后恢复最常用的方法是给予被动式的训练活动 ， 但这种方式收效甚微 。 电刺激是能够诱发神经的传导 ， 理论上是可以将连接上的神经打通信号通路 ， 医生也在手术中发现给受损伤的神经附近进行电刺激更够恢复一些能力 ， 加快恢复时间 ， 由此可见 ， 若是对受损神经进行长时间的慢性刺激或许就能将原先失去的能力完全恢复 。
2018年在Nature Medicine上的一篇文章也公开报道了在小鼠实验中 ， 通过植入这种无线无源的cuff刺激电极来促使神经再生的实验取得了良好的结果 。 研究人员们将带有无线接受能量的cuff电极植入到了坐骨神经受损的小鼠中 ， 并以每小时1次的频率进行电刺激 ， 时间长达1天、3天、以及6天 。 治疗后 ， 科学家们又在接下来的10周里 ， 追踪神经的恢复情况 ， 并发现相比对照组 ， 但凡接受电刺激的小鼠 ， 其肌肉重量与强度都有显著提升 ， 表明小鼠的神经功能与运动能力都恢复良好 。 更有意义的是 ， 随着电刺激的时间越长 ， 小鼠的恢复速度也就越快 。 而且 ， 这一植入子均采用生物可吸收材料生产 ， 本身没有带来明显的副作用 ， 术后无需二次手术取出[1] 。
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植入模拟和实际图
应用场景二：癫痫治疗
癫痫是大脑神经元突发性异常放电 ， 导致短暂的大脑功能障碍的一种慢性疾病 。 据中国最新流行病学资料显示 ， 国内癫痫的总体患病率为7.0‰ ， 中国约有900万左右的癫痫患者 。 癫痫发作是由于神经核团的异常放电引起 ， 可以通过迷走神经神经调控手术来抑制癫痫发病 。 在做好的癫痫模型的动物上 ， 将带有无线供能的cuff电极埋置在动物体内的迷走神经上 ， 通过外部设备如行为或其他电生理检测识别到癫痫发作的信号 ， 触发刺激电极产生微电流 ， 从而消除癫痫症状 。
应用场景三：抑郁症治疗
抑郁症是世界第四大疾病 ， 预计到2020年将成为第二大 。 抑郁症的治疗基本依靠药物 ， 然而药物使用到后期会出现抗药性以及其他副作用 ， 所以人们也一直在寻求其他方面的治疗手段 ， 包括DBS脑深部刺激术 。 现在已有证据表明通过给与特定脑区的微电流刺激能够减缓抑郁症状[2] ， 抑郁症的动物模型已经成熟稳定 ， 由于这种电刺激需要长时间治疗 ， 脑深部电极与无线无源刺激系统结合也是比较合适的解决方案 。
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无线无源电刺激系统实物图
目前开发该系统的科斗脑机团队已经和华山医院展开合作 ， 进行了小动物的在体刺激实验 ， 该系统取得了预期效果 ， 双方也以此共同申报了相关专利 ， 后续也将不断丰富升级更多的功能 。
参考文献：
[1] Koo, J., et al. (2018). "Wireless bioresorbable electronic system enables sustained nonpharmacological neuroregenerative therapy." Nature Medicine24.
【电刺激|重磅！国内首款动物商用无线无源电刺激系统，将广泛应用于脑科学】[2] Delaloye, S. and P. E. Holtzheimer (2014). "Deep brain stimulation in the treatment of depression." Dialogues in clinical neuroscience16(1): 83-91.


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