神經(jīng)系統(tǒng)電刺激的研究有著悠久歷史，并推動了許多重要的臨床療法的發(fā)展，如深腦刺激治療帕金森病。在腦機接口（BCI）領(lǐng)域，關(guān)鍵目標之一是向大腦環(huán)路傳輸有意義的信息，但是實時的閉環(huán)BCI系統(tǒng)仍面臨許多挑戰(zhàn)。

近期，布朗大學(xué)工程學(xué)院的研究團隊開發(fā)了一種新型的無線神經(jīng)刺激技術(shù)，采用遠程編程和低功率無線通信技術(shù)，通過外部射頻源提供電源，能實時調(diào)節(jié)神經(jīng)刺激的參數(shù)。此技術(shù)能夠在自由活動的動物中同時操作多個微刺激器，并實現(xiàn)精確的時空模式刺激。憑借其高效、低功率的特點，新型的無線神經(jīng)刺激技術(shù)展示了在大規(guī)模微刺激器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用潛力。相關(guān)成果于2024年11月21日發(fā)表于《Nature Communication》期刊。

結(jié)果

植入式無線微刺激器--電路和通信概述

這種新型無線神經(jīng)刺激技術(shù)的核心在于利用系統(tǒng)芯片（SoC）微芯片實現(xiàn)遠程射頻（RF）編程。采用無線三線圈系統(tǒng)設(shè)計，包括發(fā)射線圈（Tx線圈）、皮下中繼線圈和位于皮層表面的芯片微線圈。該系統(tǒng)主要的技術(shù)特點如下: (1).快速編程，每個芯片在3微秒內(nèi)即可完成電刺激參數(shù)的編程; (2).射頻能量和指令以脈沖形式傳輸，僅在電流注入期間為微刺激器供電; (3).功率優(yōu)化，相比于傳統(tǒng)的連續(xù)射頻供電方法，平均射頻功率降低了一個數(shù)量級，顯著減少了射頻輻射對生物組織的影響。

圖1展示了瞬時射頻鏈路系統(tǒng)的工作原理及其在微芯片刺激中的應(yīng)用。射頻鏈路包括下行鏈路和上行鏈路。下行鏈路使用振幅移鍵脈沖寬度調(diào)制（ASK-PWM）來編碼數(shù)據(jù)。上行鏈路由集成在微芯片上的二進制相移鍵控（BPSK）調(diào)制器運行。該系統(tǒng)能夠在短時間內(nèi)為多個芯片生成精確的時空刺激模式，并通過反饋機制確保信號傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

微刺激器集群的編程與近場射頻供電

為了確保射頻（RF）能量在空間分布的微芯片集群之間的安全傳輸，研究人員采用了一些優(yōu)化策略。首先，研究者考慮了不同大?。?00, 400, 500 μm）的硅芯片，并分析了微線圈尺寸對傳輸功率的影響。實驗表明，較大的500μm芯片在微電極集成中更具優(yōu)勢，因為其數(shù)量多且制造良率高（圖2a）。其次，優(yōu)化射頻功率，通過不受調(diào)節(jié)的電壓電源供電，并使用過壓保護二極管限制VDD，射頻功率直接影響芯片上的電壓電源，進而影響自由振蕩器的時鐘頻率（圖2b,c）。此外，采用ASK-PWM下行協(xié)議對時鐘頻率差異容忍性進行調(diào)節(jié)（圖2e,f）。最后，通過高頻刺激與電流控制確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性（圖2g,h）。

跨皮層微刺激集合在臺面和急性體內(nèi)大鼠模型中的應(yīng)用

研究人員對無線微刺激器的性能以及對皮層神經(jīng)調(diào)控的影響進行了探索。首先，測量了每個ASIC微芯片上注入電流的情況，測量結(jié)果表明電荷不平衡較?。▓D3a,b）。隨后，使用24通道平面電極記錄了多個微刺激器的輸出，實驗中，無線微刺激器動態(tài)寫出了字母序列“BROWN”（圖3c），證明了微芯片系統(tǒng)的功能性。研究者在麻醉大鼠皮層內(nèi)植入六個微芯片，進行無線刺激，通過與有線多電極陣列（MEA）結(jié)合使用，監(jiān)測到皮層的電流波形和誘發(fā)的神經(jīng)反應(yīng)（圖3d,e）。

研究發(fā)現(xiàn)，單個微芯片以100Hz的刺激頻率注入時，能誘發(fā)局部場電位（LFP）和細胞外尖峰活動（圖3g）。當(dāng)多個芯片同時工作時，誘發(fā)的LFP響應(yīng)幅度更大。而使用多個芯片的同步刺激能在更廣的皮層區(qū)域產(chǎn)生強烈的LFP響應(yīng)。這表明，多芯片同步刺激在皮層神經(jīng)調(diào)控中具有更廣泛的影響（圖3h,i）。

Fig3. a. 微芯片浸入透明鹽水中。b. 微刺激器通過一對鎢電極向鹽水注入的電壓和電流波形以及根據(jù)刺激波形注入的總電荷和電荷不平衡。c. 24個微芯片生成的時空刺激波形，注入電流模式拼寫 "BROWN"。d. 微芯片植入大鼠皮層進行急性實驗。e. 通過選擇每個刺激器并注入電流，圖表顯示了MEA中8個記錄通道捕獲的“刺激偽影。f. 微刺激引發(fā)的LFP響應(yīng)與每次刺激事件后引發(fā)的神經(jīng)元尖峰響應(yīng)。g. 平均LFP響應(yīng)和由于快速射頻功率切換造成的下行鏈路偽影。h. 示例為LFP響應(yīng)幅度對刺激周期和特定選擇芯片集的依賴性。i.選定芯片誘導(dǎo)的LFP響應(yīng)振幅的復(fù)合熱圖。

長期體內(nèi)大鼠模型中的多點跨皮層微刺激

為進一步探索該無線神經(jīng)刺激技術(shù)的應(yīng)用能力，研究團隊在大鼠皮層表面植入了30個微芯片（圖1a,4a），并通過皮下中繼線圈實現(xiàn)射頻能量的傳輸，允許大鼠在自由活動的狀態(tài)下進行實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實驗通過對大鼠運動皮層和感覺皮層進行高頻電刺激（如400 Hz頻率，500 μs脈沖），引發(fā)了可觀察到的運動反應(yīng)。

同時，多個芯片的電流疊加作用產(chǎn)生了強烈的感覺與運動反應(yīng)（圖4c），證明了不同皮層區(qū)域的協(xié)同作用。例如，在運動皮層刺激下，大鼠表現(xiàn)出明顯的頭部運動；在感覺皮層刺激下，誘發(fā)了胡須震蕩運動（圖4f,g）。

此外，研究團隊設(shè)計了一個雙杠桿按壓任務(wù)，讓大鼠根據(jù)電流刺激做出感知反應(yīng)（圖4h）。實驗結(jié)果表明，當(dāng)同時激活所有芯片時，大鼠的正確反應(yīng)率為96%。若只激活感覺皮層或運動皮層，反應(yīng)率分別降至86%和62%（圖4j）。這表明，大鼠的感知能力與刺激的位置密切相關(guān)。重要的是，即使射頻占空比非常低的情況下，大鼠仍能準確感知并作出正確反應(yīng)（圖4k）。

Fig4. a. 動物頭部微型CT掃描圖，顯示了中繼線圈和微刺激器的位置。b. 實驗設(shè)置包括一個定制的外殼，允許大鼠自由移動，Tx線圈通過硅膠粘合劑固定在頭部。c. 刺激前后大鼠頭部的位置。d. 刺激射頻下行鏈路的時序和持續(xù)時間，用于觸發(fā)運動皮層的局部微刺激，并測量每次刺激后頭部相對于地平線的角度。e. 動物和兩個目標觸須的照片。f. 刺激射頻命令的時序和誘發(fā)的觸須運動。g. 刺激后觸須響應(yīng)的高頻振蕩運動。h. 選擇杠桿按壓任務(wù)的時序圖和杠桿設(shè)置。i. 基于微刺激器注入電流刺激的正確反應(yīng)率。j. 對音頻提示的反應(yīng)時間。k. 正確反應(yīng)率和射頻占空比對刺激頻率和每個刺激相位周期的依賴性。

自由活動大鼠長期植入無線鏈路的穩(wěn)定性

最后，研究團隊探討了自由活動大鼠中長期無線鏈路的穩(wěn)定性，重點評估了射頻供電和回波信號的傳輸效率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，傳輸18?dBm的射頻功率足以激活所有芯片，而每個芯片需要至少?3 dBm的能量才能正常工作（圖5c）。在無線鏈路植入后70天，中繼線圈的共振峰仍保持清晰，表明其良好的長期穩(wěn)定性和密封性（圖5b）。

研究評估了三線圈共振系統(tǒng)的有效效率，結(jié)果表明系統(tǒng)在898 MHz頻率下具有較好的共振性能（圖5d）。同時，在大鼠自由活動時，研究測試了啟動所有芯片所需的射頻功率閾值變化。結(jié)果顯示，動物的位置變化對功率閾值沒有顯著影響。視頻監(jiān)控實驗表明，植入物對動物的運動能力沒有顯著影響（圖5g）。

Fig5. a. 動物頭部的照片，展示了植入中繼線圈和30個微芯片21天后的情況。b. 測量的 Tx 線圈 S 參數(shù)，顯示植入的中繼線圈在兩個月內(nèi)的共振情況。c. 不同功率幅度的射頻下行鏈路信號和來自微芯片群體的反向散射信號幅度。d. 反向散射信號幅度與 Tx 功率和 Tx 頻率的關(guān)系。e. 植入后55天內(nèi)記錄的回波信號幅度及其與發(fā)射功率的關(guān)系。f. 動物在圍欄中自由移動時的選定x-y位置與對應(yīng)的發(fā)射功率閾值。g. 運動追蹤示意圖與相機拍攝的照片。h 和 i. 控制大鼠與植入大鼠頭部位置和速度追蹤。j 和 k. 每分鐘的行進距離和角速度。

討論

總體而言，此研究展示了一種創(chuàng)新的無線神經(jīng)刺激技術(shù)。廣泛空間分布的微刺激器集群消除了傳統(tǒng)方法中需要電源線和節(jié)點間連接的問題，避免了電場腐蝕和對組織的潛在損害，相比傳統(tǒng)的ASIC芯片與電源連接的系統(tǒng)更具穩(wěn)定性。此外，鏈式、工作周期的能量傳輸方法不僅適用于現(xiàn)有激發(fā)方式，還可拓展到中場能量傳輸、超聲波、磁電和光學(xué)能量傳輸?shù)?。這為基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)研究和臨床神經(jīng)技術(shù)提供了新的機會。未來，該系統(tǒng)可進一步發(fā)展為全無線的小動物模型解決方案，并在能量傳輸方面提供高效的支持。