研究人员创建了一种创新的软皮层设备，具有改变癫痫治疗和管理其他神经系统疾病的潜力。由基础科学研究所(CNIR)神经科学成像研究中心的SON Donghee教授和SHIN Mikyung教授领导的专门研究团队，以及来自韩国科学技术院(KIST)生物仿生研究中心的KIM Hyungmin博士，开创了一种软皮层设备，可能会改变癫痫和各种神经系统疾病的治疗格局。
癫痫是一种影响全球超过6500万人口的神经系统疾病。它的特征是大脑中异常的电活动导致癫痫发作。令人警惕的是，约20-30%的患者出现顽固性癫痫，对常规药物没有反应。虽然这些患者可以选择外科切除病变，但这一过程复杂且存在风险。
一种被建议的替代方法是神经调节。这一技术通过使用机械、电磁或光能直接刺激受损的大脑组织，帮助缓解大脑的过度活动。其中一种显著的方法是经颅聚焦超声(tFUS)神经刺激，这是一种非侵入性的方法，以高精度刺激大脑而不造成持续性损伤。
为了让tFUS成功治疗癫痫，它需要连接到一个可以持续监测大脑活动并实时调整治疗的系统。现有的与皮层接口的设备由于其刚性和缺乏适应大脑不规则表面的能力而难以使用，从而导致设备与组织之间的相互作用不佳。它们与大脑表面的弱结合也限制了它们在超声刺激期间捕获准确大脑信号的能力，主要是由于机械压力波产生的扰动。
为了解决这些问题，研究团队推出了形态变换皮层粘附(SMCA)传感器，这是一种柔软且灵活的设备，紧密附着在大脑表面，确保在tFUS刺激期间对大脑活动的持续和精确监测。SMCA传感器由专业的材料组合制成，包括一层与儿茶酚结合的海藻酸盐水凝胶，能够快速与大脑组织结合，提供优异的粘附性并最小化运动或脱落。此外，设备的基底由一种自愈聚合物组成，在体温下变得更柔软并适应大脑的曲线，确保舒适的贴合并减少信号干扰。
SMCA传感器的有效性在体外(ex vivo)和体内(in vivo)实验中得到测试，并与缺乏粘附或形态变换能力的传统设备进行了比较。在使用癫痫大鼠模型的试验中，SMCA传感器成功记录了在tFUS刺激期间的大脑活动，没有干扰，从而允许进行实时监测，这对有效治疗至关重要。
利用这种先进的传感器，研究人员创建了一个闭环癫痫控制系统。该系统利用SMCA传感器检测早期癫痫活动，并自动相应调整tFUS治疗。该系统证明能够实时抑制癫痫发作，展示了个性化、适应性治疗癫痫的潜力。
SON Donghee教授表示：“我们在这一大脑粘附软生物电子平台上的研究使我们能够克服大脑接口技术中的重大障碍，在没有干扰性伪影的情况下实现高质量的皮层电图记录和聚焦超声刺激。”他详细阐述了这项研究的重要性并揭示了未来的目标，表示：“我们预见我们的技术将成为下一代生物医学系统中准确诊断和个性化治疗难治神经疾病的基础要素。在未来的发展中，我们旨在增强SMCA传感器的形态变换和粘附性能，创造高度集成的微电极，并整合复杂的闭环操作算法。”
KIM Hyungmin博士补充道：“我们通过ECoG成功早期检测到癫痫发作活动，这使得癫痫的预防成为可能。我们还建立了超声刺激效果的实时反馈，促进了个性化刺激方法的发展。展望未来，我们计划开发具有更多通道的电极，以及多通道超声传感器，以增强癫痫源映射和干预的精确性，最终提高这种方法在临床环境中的有效性和安全性。”
这项合作研究涉及来自成功大学(SKKU)和韩国科学技术院(KIST)的同事。研究结果于2024年9月11日发表在《自然电子学》上。
