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工学院生物医学工程系段小洁课题组及合编辑在MRI兼容神经电极及DBS-fMRI联用揭示DBS对大脑调制效应方面取得重要进展

2020-04-14

深层大脑刺激(Deep Brain Stimulation, DBS)和功能磁共振成像(Functional magnetic resonance imaging,fMRI)联用对理解大脑的网络连接、解析DBS治疗各类神经类疾病的机理和效果都有重要的意义。传统用于DBS的电极通常会导致磁场的严重扭曲,使得电极周围的大面积部位被电极伪影遮挡从而不可见,严重影响结构和功能MRI对大脑的成像和大脑活动的检测。

近日,vnsc威尼斯城官方网站生物医学工程系段小洁研究员课题组与中国科学院神经科学研究所、脑科学与智能技术卓越创新中心梁智锋课题组合作,研制了一种基于石墨烯纤维的高度兼容MRI的DBS刺激电极,在帕金森症大鼠模型上,实现了DBS下整脑范围内完整fMRI脑激活图谱的扫描,发现了DBS治疗帕金森症效果与不同脑区激活的关联关系。

该石墨烯纤维DBS电极具有高于同尺寸铂铱(PtIr,临床DBS所用的材料)电极70倍的电荷注入容量。在9.4T高场MRI下无论是T2*权重的功能成像序列还是T2权重的结构成像序列,该电极都有比同尺寸PtIr电极小得多的伪影,且电极在施加连续大电流脉冲的条件下,表现出了高稳定性。利用石墨烯纤维电极,以丘脑底核为刺激靶点的DBS,显著提高了帕金森症大鼠的运动能力,减轻了帕金森症导致的运动障碍。


图1. 高MRI兼容的石墨烯纤维电极

整脑范围内完整fMRI脑激活图谱的扫描对解析DBS治疗神经疾病的机理、理解DBS对大脑的神经调控作用有重要的价值。利用该电极,在帕金森症模型大鼠中DBS-fMRI的同步联用,得到了DBS激活的包括刺激靶点在内的完整fMRI图谱,发现帕金森大鼠运动速度的提高和大鼠运动皮层、内侧和外侧苍白球、丘脑底核和尾状壳核的激活程度正相关,这些结果暗示了DBS的机理有可能是通过正向和反向激活运动回路共同实现的。


图2. 基于石墨烯纤维电极的DBS-fMRI联用,以及DBS对大脑调控效应研究

该工作于2020年4月14日在线发表于学术期刊《自然?通讯》(Nature Communications)上(DOI: 10.1038/s41467-020-15570-9)。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-15570-9。北京大学博士生赵思源、硕士生李根为文章的共同第一编辑,北京大学段小洁研究员、中科院神经科学研究所梁智锋研究员是文章的通讯编辑。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院百人计划的支撑。

 

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