日前,中国科学院深圳先进技术研究院在跨尺度超声神经调控仪器研制方面取得新进展。相关研究成果以A
Portable Ultrasound System for Non-Invasive Ultrasonic
Neuro-Stimulation
为题,发表在神经工程专业期刊IEEE Transactions on
Neural Systems and Rehabilitation Engineering

(DOI:10.1109/TNSRE.2017.2765001)上。2017年11月9日《自然》杂志在“未来用于大脑的超声技术”综述文章中引用报道了这一由郑海荣团队研制的超声神经调控仪器,并称之为神经科学和脑疾病研究带来了新武器(Nature,
vol. 551, pp. 257-9)。

发展无创精准的新型神经调控技术一直是神经科学和脑疾病领域的迫切需求。超声波作为一种机械波,其力学效应控制神经元电活动新机制的发现,使无创地开展神经刺激成为可能。最新发现超声瞬态刺激在分子、细胞、动物和人脑水平的神经调控科学证据,证实了超声可以控制神经元的活动。超声还可以通过不同的强度、频率、脉冲重复频率、脉冲宽度、持续时间等参数,使刺激部位的中枢神经产生兴奋或抑制效应,从而使神经功能产生双向调节的可逆性变化。这些超声神经调控技术研究成果证实,超声对神经环路的调控机制和脑疾病的发病机理等基础科学问题的研究具有重要潜力,超声作为一种新型无创的神经刺激与调控技术,在脑科学研究和脑疾病干预方面展示出光明前景。

深圳先进院超声技术团队针对跨尺度超声神经刺激所需要的各种需求,设计开发了神经刺激的专用超声辐射力发射探头及电子设备。超声物理参数包括超声辐射力大小、作用方式、频率、脉冲重复频率、强度和脉冲持续时间等都可以自由调整。同时,该仪器也设置了输出输入同步功能,可以和其他神经电生理设备同步工作以完成神经刺激和信号采集的同步获取。该新型超声神经刺激仪已经初步实现了小动物脑神经调控以及非人灵长类大动物的神经环路调控。

此外,项目组同步开发了跨尺度、动态多焦点的超声神经调控装置,涵盖了细胞、小动物、灵长类大动物研究的多个仪器,并已经成功开发了2048通道的磁共振兼容超声神经调控系统,为多点动态深脑刺激研究提供了仪器基础。目前,微/小动物神经调控设备已经成功应用到了包括浙江大学、清华大学、上海交通大学、香港理工大学、美国南加州大学、中科院昆明动物研究所、上海生命科学研究院神经科学研究所和心理研究所等十多个国内外神经生物学与脑科学实验室,在超声神经调控及声感基因等关键技术研究中发挥关键作用。

上述研究工作得到国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制项目支持。

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微尺度超声神经刺激芯片;便携式单通道小动物超声神经刺激仪

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千通道级别多点动态超声神经调控换能器及系统

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