光激活的超小型电极可以实现更安全的神经刺激

神经刺激是一种发展中的技术，在诸如帕金森氏病的神经系统疾病中具有有益的治疗作用。尽管已经取得了许多进步，但是植入的装置会随着时间的流逝而恶化，并导致神经组织形成疤痕。匹兹堡大学的Takashi DY Kozai在最近发表的一篇论文中详细介绍了一种侵入性较小的刺激方法，该方法将使用不受束缚的，由光激活的超小型电极，该技术可减轻当前方法造成的损害。

皮特·斯旺森(Pitt's Swanson)生物工程助理教授Kozai表示：“通常在神经刺激下，为了维持思维与机器之间的联系，需要一条从大脑内部植入的电极到身体外部控制器的经皮电缆。”工程学院。脑部或系绳的运动会导致炎症，疤痕和其他负面影响。我们希望通过用长波长光和超小型无束缚电极代替这条大电缆来减少部分损坏。”

Kaylene Stocking是一位高级生物工程和计算机工程专业的学生，​​该论文的第一作者为“通过光电效应介导的无束缚的超小型碳纤维电极对皮层内神经刺激”(DOI：10.1109 / TBME.2018.2889832)。她与Kozai的小组-仿生实验室-合作研究了研究人员如何提高神经植入技术的寿命。这项工作是与Pitt放射与生物工程研究副教授Alberto Vasquez合作完成的。

光电效应是指光或光子撞击物体并引起电势的局部变化。Kozai的小组在进行其他影像研究时发现了自己的优势。基于爱因斯坦在1905年发表的关于这种效应的文章，他们期望仅在紫外波长(高能光子)下看到光电流，但是他们经历了一些不同的事情。

“当用近红外激光(低能量光子)成像时，光电效应污染了我们的电生理记录时，我们有些惊讶，” Kozai解释说。事实证明，为了解释这一结果，必须对原始方程进行修改。我们尝试了多种策略来消除这种光电伪像，但每次尝试均未成功，因此我们将“错误”变成了“特征”。”

Stocking说：“我们小组决定利用光电效应的这一特性来发挥我们在神经刺激方面的优势。”“我们利用近红外激光的电势变化来激活大脑中不受约束的电极。”

实验室创建了直径为7-8微米或大约神经元大小(17-27微米)的碳纤维植入物，Stocking使用双光子显微镜在幻影大脑上模拟了他们的方法。她测量了特性并分析了效应，以查看光电效应产生的电势是否以类似于传统神经刺激的方式刺激了细胞。

Stocking说：“我们发现光刺激是有效的。”“温度升高并不明显，这降低了热损害的可能性，并且在类似条件下，与电刺激相比，活化细胞更靠近电极，这表明空间精度有所提高。”

“我们没想到看到的是，这种光电刺激方法使我们能够比电刺激所能刺激的神经元群体更多且不同。” Kozai说，“这为研究人员提供了另一种工具，使他们能够探索神经系统中的神经回路。

Kozai说：“我们有很多批评家不相信对爱因斯坦原始光电方程所做的数学修改，但我们相信该方法，甚至已申请专利”(专利申请：US20170326381A1)。“这证明了Kaylene的辛勤工作和勤奋工作，可以采用一种理论并将其转化为对该技术的良好控制的验证。”

Kozai的小组目前正在进一步寻找其他机会来推进这项技术，包括达到更深的组织和无线药物输送。

Stocking预计将于2019年4月毕业，并计划攻读博士学位。她说，“匹兹堡大学有那些让我获得有意义的研究经验，本科惊人的资源，我很感激Kozai博士和生物工程系给我机会做有影响力的工作。”

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