減小大腦植入設備的尺寸可以延長其使用壽命

使用細纖維結構輸送藥物或進行電刺激可減少對大腦的損傷。

將電極植入大腦進行電刺激的療法可用於包括帕金森病在內的多種疾病。但是植入電極會形成疤痕組織，減弱電極的效果，患者有時不得不通過手術更換電極。

近日，麻省理工學院的研究人員證明，減小電極尺寸可以有效的減少疤痕，從而可能極大地延長電極的使用壽命。「我們正在減小電極尺寸，並減少植入過程造成的創傷。」材料科學與工程學院的Michael Cima教授說。他同時也是麻省理工學院科赫綜合癌症研究所的成員以及此項研究的高級作者，該研究發表於5月16日的《科學報告》雜誌上。

Cima與他的同事們正在設計一種大腦植入設備，它不僅可以對大腦進行電刺激，還能記錄腦電活動或將藥物輸送到指定的位置。

這篇論文的第一作者是曾在麻省理工學院攻讀研究生的Kevin Spencer。其他作者分別為博士後Jay Sy、研究生Khalil Ramadi、學院教授Ann Graybiel和科赫研究所教授 Robert Langer。

尺寸效果

對大腦中控制運動的區域進行低頻率電刺激，為許多帕金森病患者帶來較好的療效。深層大腦電刺激所用的電極直徑為數厘米。植入後，包圍電極的大腦組織受到它的持續摩擦，逐漸產生疤痕。這種被稱為膠質細胞增生的過程導致大量電極失效：約一半的電極在植入大腦的最初6個月內失效。

此前的研究顯示，減小電極的尺寸或使電極變得更柔軟，可以減少疤痕組織，於是麻省理工學院團隊開始研究減小電極尺寸並在外包裹聚乙二醇（PEG）水凝膠所能帶來的效果。

研究者使水凝膠包裹層具有與大腦組織相似的彈性，並控制其厚度。他們發現包裹了水凝膠的電極被植入大腦後，柔軟的包裹層會脫落，於是他們改變塗覆水凝膠的方式，並在塗覆後進行乾燥，使其成為一層硬薄膜，在植入大腦後吸收水分重新變軟。

研究人員在實驗小鼠身上分別對包裹了和未包裹水凝膠的不同尺寸玻璃纖維進行了測試，發現在纖維尺寸和柔軟程度之間存在取捨關係。有包裹層的纖維所產生疤痕組織比沒有包裹層的減少了許多。但是當纖維尺寸減小到大約0.03毫米時，沒有包裹層的纖維所產生的疤痕組織更少，因為包裹層使得纖維的直徑增加。

這意味著大腦植入設備的最優化設計是直徑0.03毫米，沒有包裹層的纖維。

「在這篇論文之前，沒有人真正知道尺寸的影響」，Cima說道，「電極越柔軟越好，但因此增加電極的尺寸卻不可取」。

新型設備

目前的問題是，直徑只有0.03毫米的纖維能否用於電刺激，輸送藥物以及記錄腦電活動。Cima及其同事正在開發此類設備，並已有一些初步成果。

「製作這種設備起初看起來毫不現實，畢竟0.03毫米的纖維僅僅比頭髮粗一點點， 但其實是可能的。」 Cima說。

這樣的設備可以用於治療帕金森病或其他的神經障礙疾病，也可用於從大腦中取出液體以觀察治療方法是否有效，還可以用於觀察腦部活動以得知癲癇是否即將發作。

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