2024 年 6 月 4 日，麻省理工学院（MIT）研究团队在《Nature Communications》（IF=16.6）上发表 “An implantable piezoelectric ultrasound stimulator (ImPULS) for deep brain activation” 用于深部脑刺激的植入式压电超声刺激器（ImPULS）。
现在，麻省理工学院（MIT）的研究人员开发出了一种替代方法，即使用超声而不是电力来进行深部脑刺激。通过使用超声技术，可以创造一种新的方式来刺激大脑深部的神经元发射，这种装置比头发丝还要细，因此对组织的损伤可以忽略不计，而且很容易在大脑深部导航这种装置。除了提供一种更安全的深部脑刺激方法外，这种方法还可能成为研究人员了解大脑工作原理的重要工具。
本研究报告了一种植入式压电超声刺激器（ImPULS），它能产生 100 kPa 的超声焦点压力来调节神经元的活动。ImPULS 是一种完全封装的柔性压电微机械超声换能器，采用了生物相容性压电陶瓷铌酸钠钾。
在对小鼠进行的试验中，研究人员发现，ImPULS 装置可以激发海马神经元的活动。然后，他们将这种纤维植入产生多巴胺的黑质，结果表明，这种纤维可以刺激背侧纹状体的神经元产生多巴胺。
图1. 植入式压电超声刺激器：ImPULS
ImPULS 是一种柔性压电微机械超声换能器（pMUT），可通过手术植入大脑。图 1a 是将 ImPULS 植入野生型小鼠皮层下区域的示意图。在施加交变电压时，ImPULS 会产生超声波，并激发附近的神经元。ImPULS 采用转移印制工艺，使用生物相容性压电陶瓷与耐用聚合物绝缘，从而制造出可植入的超声刺激器。图 1b 是 ImPULS 的剥离图，显示了每个组成层；包括作为基底的 SU-8（厚度为 0.8 μm）、封装层和背衬层（厚度为 0.5 μm 和 15 μm）；压电 KNN 层（厚度为 1 μm，直径为 100 μm）；铬/金（Cr/Au，厚度为 10/250 nm）和铂（Pt，厚度为 100 nm）分别作为顶部和底部电极，铬/金作为金属互联层（厚度为 10/250 nm）。
图2. ImPULS 特性
图3. 对麻醉小鼠背侧 CA1 的强刺激
图4. 刺激麻醉小鼠黑质多巴胺的释放
该装置的所有组件都具有生物兼容性，包括压电层，它是由一种名为铌酸钠钾的新型陶瓷制成的。目前的植入物由外部电源供电，但研究人员设想未来的植入物可以由小型植入式电池和电子装置供电。
研究人员现在计划研究超声波刺激会如何影响大脑的不同区域，以及这种装置在植入一年后能否保持功能。他们还对加入微流体通道的可能性很感兴趣，这样就能让装置在提供超声刺激的同时传递药物。
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