科研新聞

工學院生物醫學工程系段小潔課題組及合作者在MRI兼容神經電極及DBS-fMRI聯用揭示DBS對大腦調制效應方面取得重要進展

2020-04-14

深層大腦刺激(Deep Brain Stimulation, DBS)和功能磁共振成像(Functional magnetic resonance imaging,fMRI)聯用對理解大腦的網絡連接、解析DBS治療各類神經類疾病的機理和效果都有重要的意義。傳統用于DBS的電極通常會導致磁場的嚴重扭曲,使得電極周圍的大面積部位被電極偽影遮擋從而不可見,嚴重影響結構和功能MRI對大腦的成像和大腦活動的檢測。

近日,北京大學工學院生物醫學工程系段小潔研究員課題組與中國科學院神經科學研究所、腦科學與智能技術卓越創新中心梁智鋒課題組合作,研制了一種基于石墨烯纖維的高度兼容MRI的DBS刺激電極,在帕金森癥大鼠模型上,實現了DBS下整腦范圍內完整fMRI腦激活圖譜的掃描,發現了DBS治療帕金森癥效果與不同腦區激活的關聯關系。

該石墨烯纖維DBS電極具有高于同尺寸鉑銥(PtIr,臨床DBS所用的材料)電極70倍的電荷注入容量。在9.4T高場MRI下無論是T2*權重的功能成像序列還是T2權重的結構成像序列,該電極都有比同尺寸PtIr電極小得多的偽影,且電極在施加連續大電流脈沖的條件下,表現出了高穩定性。利用石墨烯纖維電極,以丘腦底核為刺激靶點的DBS,顯著提高了帕金森癥大鼠的運動能力,減輕了帕金森癥導致的運動障礙。


圖1. 高MRI兼容的石墨烯纖維電極

整腦范圍內完整fMRI腦激活圖譜的掃描對解析DBS治療神經疾病的機理、理解DBS對大腦的神經調控作用有重要的價值。利用該電極,在帕金森癥模型大鼠中DBS-fMRI的同步聯用,得到了DBS激活的包括刺激靶點在內的完整fMRI圖譜,發現帕金森大鼠運動速度的提高和大鼠運動皮層、內側和外側蒼白球、丘腦底核和尾狀殼核的激活程度正相關,這些結果暗示了DBS的機理有可能是通過正向和反向激活運動回路共同實現的。


圖2. 基于石墨烯纖維電極的DBS-fMRI聯用,以及DBS對大腦調控效應研究

該工作于2020年4月14日在線發表于學術期刊《自然?通訊》(Nature Communications)上(DOI: 10.1038/s41467-020-15570-9)。論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-15570-9。北京大學博士生趙思源、碩士生李根為文章的共同第一作者,北京大學段小潔研究員、中科院神經科學研究所梁智鋒研究員是文章的通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中科院百人計劃的支持。

 
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