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生物工程师用靶向超声打击神经元以抑制疼痛

导读神经调节包括一系列缓解症状(如疼痛或震颤)或恢复运动或功能的治疗方法。用电能或化学物质(可能还有声波)对神经元进行治疗性刺激,可以放大

神经调节包括一系列缓解症状(如疼痛或震颤)或恢复运动或功能的治疗方法。用电能或化学物质(可能还有声波)对神经元进行治疗性刺激,可以放大或抑制大脑或身体中的神经元冲动。超声波形式的声学信号提供了一类很有前途的神经调节,这将是一种特别有价值的方法,因为它是非侵入性的——不需要植入电极进行刺激的外科手术。超声波提供了一种临时调制,可以进行调整以获得所需的效果。现在研究人员已经证明它有可能针对具有特定功能的神经元。

由卡内基梅隆大学生物医学工程教授 Bin He 博士领导并部分由美国国家生物医学成像与生物工程研究所 (NIBIB) 资助的团队已经证明了使用低浓度神经调节方法的潜力。强度超声能量,称为经颅聚焦超声,或tFUS。在发表在2021年5月4日,发行纸质自然传播中,作者描述tFUS实验与演示非侵入性神经调节替代啮齿动物。

“经颅聚焦超声是一种很有前景的方法,可用于治疗各种形式的慢性疼痛,以及其他应用,”生物机器人系统 NIBIB 项目主任 Moria Bittmann 博士说。“在症状包括使人衰弱的疼痛的情况下,外部产生的频率和强度受控的超声波脉冲可能会抑制疼痛信号。”

在他们的研究中,He 和他的团队设计了一个组件,其中包括一个超声波换能器和一个记录神经元信号数据的设备,称为多电极阵列。在与麻醉啮齿动物的实验中,研究人员穿透颅骨和大脑的各种短脉冲声波,针对特定的神经元在大脑皮质。他们用多电极阵列同时记录了来自不同神经元类型的电生理信号的变化。

当信号从一个神经元发送到另一个神经元时,无论是参与感官还是控制运动,该信号在神经元之间的突触或连接处的发射称为尖峰。研究人员观察到的两种类型的神经元是兴奋性和抑制性神经元。当研究人员使用 tFUS 直接向兴奋性神经元发出重复的超声波刺激脉冲时,他们观察到脉冲率或峰值升高。他们观察到,受到相同 tFUS 能量的抑制性神经元没有表现出明显的尖峰率干扰。该研究表明,超声信号可以通过颅骨传输,以选择性地激活特定的神经元亚群,从而有效地针对具有不同功能的神经元。

“我们的研究地址的未满足的需要开发无毒,无成瘾性,无药物治疗的人使用,”他说。“我们希望通过改变超声频率进一步开发 tFUS 方法,并深入了解神经元活动,以便这项技术有利于大脑健康的最佳机会。”

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