全球首款可穿戴經(jīng)顱磁刺激設(shè)備研制成功
3月20日，記者從中國科學(xué)院自動化研究所（以下簡稱自動化所）獲悉，該所腦網(wǎng)絡(luò)組與腦機(jī)接口北京市重點實驗室宣布，成功研發(fā)出一款革命性的電池供電可穿戴重復(fù)經(jīng)顱磁刺激設(shè)備（rTMS），重量小于3公斤，其性能與商用大型設(shè)備相當(dāng)，為rTMS技術(shù)在家庭、社區(qū)及自由行動中的全場景應(yīng)用提供了更多可能。相關(guān)成果已發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然—通訊》（Nature Communications）上。
?rTMS尺寸示意圖。圖片來自論文，下同
腦機(jī)接口技術(shù)將大腦與機(jī)器建立聯(lián)系，實現(xiàn)腦與外部設(shè)備的信息交換，按照信息流的方向可分為“腦控”和“控腦”兩類?！澳X控”實現(xiàn)了腦信號解碼到外部設(shè)備的信息轉(zhuǎn)換，而“控腦”也叫神經(jīng)調(diào)控，通過電、磁、聲、光、熱等手段，將物理能量寫入大腦來干預(yù)神經(jīng)元的活動，實現(xiàn)機(jī)器到腦的信息交換。相較于藥物治療，物理神經(jīng)調(diào)控技術(shù)因其副作用小、靶向性好，是臨床腦疾病治療的利器。目前，以深部腦刺激（DBS）為代表的有創(chuàng)神經(jīng)調(diào)控技術(shù)已在治療帕金森癥等領(lǐng)域取得很大進(jìn)展。然而，在無創(chuàng)神經(jīng)調(diào)控中，由于頭皮、顱骨、腦脊液、腦膜等多層顱腦結(jié)構(gòu)，將腦組織層層保護(hù)，使得精確、有效的無創(chuàng)神經(jīng)調(diào)控變得異常困難，始終是神經(jīng)調(diào)控領(lǐng)域中一塊難啃的“硬骨頭”。
1985年，英國謝菲爾德大學(xué)教授安東尼·巴克爾等人發(fā)明了經(jīng)顱磁刺激技術(shù)（TMS），其利用時變磁場在腦內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而實現(xiàn)對神經(jīng)元的非侵入性調(diào)控，可以直接激活神經(jīng)元產(chǎn)生動作電位。其作為一種閾上的無創(chuàng)神經(jīng)調(diào)控手段，與磁共振成像（MRI）、正電子發(fā)射成像（PET）、腦磁圖（MEG）并稱“腦科學(xué)四大技術(shù)”，也是其中唯一的“寫入”信號的技術(shù)。相較于電休克（ECT）等閾上調(diào)控手段，TMS無需麻醉、副作用小、安全性高，在腦健康領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。如今，重復(fù)經(jīng)顱磁刺激已被美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)用于抑郁癥（成人和青少年）、偏頭痛、強(qiáng)迫癥和煙癮的治療，其他疾病如精神分裂、帕金森、卒中等的治療和康復(fù)應(yīng)用正在探索進(jìn)行中。然而，傳統(tǒng)rTMS的脈沖發(fā)放頻率很高（可達(dá)50 Hz以上），在線圈中產(chǎn)生幾千安培的電流，設(shè)備功率在幾千瓦到幾十千瓦，配套的電源和散熱設(shè)施使得設(shè)備重達(dá)數(shù)十公斤，極大限制了其在臨床和科研中的應(yīng)用。如何將rTMS小型化、甚至實現(xiàn)可穿戴，是科研人員和工程師久攻不克的技術(shù)難題。
據(jù)該論文第一作者、自動化所副研究員戚自輝介紹，研究團(tuán)隊通過輕量級磁芯線圈設(shè)計和高功率密度高壓脈沖驅(qū)動技術(shù)的突破，成功將設(shè)備的功耗、重量降至進(jìn)口商用設(shè)備的10%，且和現(xiàn)有傳統(tǒng)商業(yè)TMS設(shè)備的刺激強(qiáng)度十分接近。在人體試驗中，該設(shè)備成功誘發(fā)了手部和腿部的運動誘發(fā)電位（MEP），首次在自由行走過程中實現(xiàn)了rTMS神經(jīng)調(diào)控，揭示了中樞神經(jīng)系統(tǒng)和不同肢體肌肉活動之間的動態(tài)相互作用。
rTMS設(shè)備（手持式和背帶式）
研究人員稱，可穿戴rTMS設(shè)備在臨床和科研中具有巨大的應(yīng)用潛力。首先，它為抑郁癥等神經(jīng)精神疾病的治療提供了全新場景的解決方案，患者可在醫(yī)院、家庭、工作場所甚至旅途中接受不間斷、及時的治療，實現(xiàn)隨時、隨地、隨身的使用。這一優(yōu)勢顯著擴(kuò)大了TMS治療的受眾群體，在滿足患者個性化的治療需求同時，降低就醫(yī)成本并提高治療依從性。其次，該設(shè)備為研究自然場景下腦功能的動態(tài)變化提供了全新工具，通過擾動大腦活動來研究行為或認(rèn)知的變化，有助于驗證自由運動過程中不同腦區(qū)的功能。
論文共同第一作者、自動化所高級工程師劉浩表示，這種可穿戴的rTMS設(shè)備未來可與腦電、近紅外等非侵入式腦信號檢測技術(shù)結(jié)合，通過對腦信號的實時解碼來優(yōu)化rTMS調(diào)控過程，形成可穿戴式閉環(huán)rTMS神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)，將提升現(xiàn)有rTMS的治療穩(wěn)定性，讓閉環(huán)腦機(jī)接口從實驗室走向真實場景的大規(guī)模應(yīng)用成為可能。
“可穿戴rTMS設(shè)備的成功研發(fā)是神經(jīng)精神疾病治療領(lǐng)域的一項重大突破，它將為患者帶來更便捷、更有效的治療選擇，同時也為腦科學(xué)研究提供了新的工具?！蹦X網(wǎng)絡(luò)組與腦機(jī)接口北京市重點實驗室主任、研究員蔣田仔表示：“我們相信，這項使能技術(shù)將會在腦健康和腦機(jī)接口領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。”
該論文的共同第一作者為戚自輝和劉浩，蔣田仔為通訊作者。論文的主要合作者包括左年明、宋明、樊令仲、楊正宜、金芳以及王一航、盧雪峰等。該研究得到了國家科技創(chuàng)新2030—“腦科學(xué)與類腦研究”重大項目定向委托任務(wù)和國家自然科學(xué)基金等項目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58095-9
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