神经仪器

项目组科研人员与同行专家交流合影。 研究团队供图中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称深圳先进院）实验室里，一台高精尖仪器一排排控制灯交替闪烁。一万多个探头发出超声波形成的操控声场，如同“上帝之手”穿过实验动物的颅骨，直抵大脑深处，精准“触碰”一些神经元，产生仅仅几微米的细微形变，被磁共振仪敏锐捕捉到。“亮了！亮了！”深圳先进院研究员郑海荣看到，磁共振图像上黑漆漆的实验动物大脑中间出现白色的小亮点，犹如在脑科学的未知宇宙中点亮一颗新的星球。2019年初，郑海荣团队迎来里程碑式的一天，这也是他们在国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目支持下开发“基于超声辐射力的深部脑刺激与神经调控仪器”的第4年。如今项目顺利结题，这台原创的高端科研仪器已进入产业化阶段。“科研需要一股不服输的韧劲！”回首研发历程，郑海荣向《中国科学报》表示，“6年来，一步步攻克科学难题、一个个突破工程难关，离不开整个团队攀登科学高峰的坚定信念和持久韧劲。”解脑科学“刚需”之急近年来，帕金森病、阿尔茨海默氏症、抑郁症、癫痫等脑疾病得到越来越多的关注，患者数量剧增，脑疾病带来的经济负担和社会负担越发严重，已成为我国人口老龄化面临的重要社会问题之一。然而，从科学上看，脑疾病发病机制仍不清晰，其诊治仍然是重大医学难题。“国际上脑科学研究者已经认识到，帕金森病、抑郁症等疾病多与深部脑区核团病变有关，对核团及其所在环路的神经调控是疾病治疗和科学研究的基本途径之一。”郑海荣表示。多年来，科学家将电、磁、光等技术与神经科学相结合，产生了脑深部电刺激、磁刺激、光遗传学等神经刺激与调控技术。但是，由于各自物理属性的不同，如何实现无创、精准对大脑深部进行有效调控仍面临严峻挑战。因此，脑科学面临的“刚需”是开发出一种适用于灵长类动物和人类、可无创到达大脑深部的刺激与调控工具。2013年前后，从事物理医学成像研究的郑海荣开始思考，有没有可能利用超声波来操控神经元活动。这个想法并不是天方夜谭。据了解，超声是一种机械波，医学上利用超声波在人体组织中的波散射来成像，就是大家熟悉的B超。早在几十年前，科学家曾观察到，超声波能够通过“声辐射力”让声场中的微小颗粒产生移动。不过，从来没有人尝试过专门设计一台这样的仪器，用超声波辐射力实现对大脑中神经元的“隔空探物”。基于此前对超声辐射力的研究，郑海荣团队下决心对“基于超声辐射力的深部脑刺激与神经调控仪器”进行自主研发，经多轮严格论证，2015年获得国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目支持。啃原创仪器“硬骨头”“虽然我们之前做过体量小一些的成像仪器，但这个项目从科学验证到工程实践面临的挑战非常大，刚开始心里也不太有底。”郑海荣坦承。一开始，他们就做好了啃“硬骨头”的打算。这台仪器共有4个关键部件，包括超声面阵辐射力产生与发射部件、超声电子指向与时间反演控制部件、磁共振导航超声刺激定位部件和多模态刺激反应监测部件。其中，超声面阵辐射力产生与发射部件中包含16384个阵元的面阵列超声辐射力发生器。“我们做的是原创仪器，不仅仪器国际上没有，连其器件和部件在国际市场上也买不到现成的，只能利用基础材料、元器件和芯片，在深圳自主设计、自主加工、自主调试和验证。”郑海荣介绍。更大的困难还在科学和工程上。他们遇到的第一道难题便是如何让超声波安全“穿过”颅骨。在体外实验阶段，研究人员已经实现了用面阵列超声换能器发射的声辐射力“点亮”神经元。为模拟动物体内环境，仪器部件被置于水中，如果跨过颅骨能“击出”水花则代表超声辐射力发挥作用。“外边（超声）打得挺激烈，（颅骨）里边却没丝毫动静、一点水花都没有，超声波几乎完全被颅骨散射和吸收了。”在前期屡败屡战的实验中，大家互相鼓励坚持下去。郑海荣说：“就像在挖一条隧道，没挖通之前总是黑暗笼罩，谁也不知道已经挖了多少，但只要确定大概的方向，坚持下去，终究会看到光明。”为打通这条“隧道”，他们回到科学理论中，引入非均匀多层介质中的“时间反演”理论，对每一个声信号通道的时空传播特征进行模拟、计算、调控与调试，实现各通道间纳秒级高精度控制，最终成功让上万个超声通道协同工作，“齐心协力”安全地穿过颅骨，精准聚焦在预定靶点，而且不引起脑组织损伤。一个通俗的解释是，就像北京2022年冬奥会开幕式《雪花》节目中，从节目结束时每位小演员的站位开始，通过“倒放”的方式确认每位小演员的出发时间、地点和行走路径。第二道难题是如何用核磁共振成像灵敏地检测到超声辐射力给神经元带来的4~5微米的精细变化。这事关刺激的精准，但超声本身“看不到”颅内自己的轨迹。为此，在项目支持下，他们坚持不懈开展攻关，发挥磁/声兼容的优势，创造性地研制了“快速磁共振射频激发与梯度编码成像技术、磁共振声辐射力成像技术”，用于监测超声辐射力刺激引起的微形变，有效地提高磁共振成像的时空分辨率和灵敏度，实现磁共振对于声波轨迹和靶点的敏感捕捉和可视化。2019年初，项目进行到第4年，研究团队终于解决这个问题，在“隧道”中迎来一束光明。合作才能融通高端科研仪器的研制不仅需要开创前沿科学理论，也要挑战诸多工程技术极限，只有团队相互协作、密切配合，才能实现共同的目标。该项目汇集了来自多家科研机构、不同学科背景的多个团队，70多位研究人员在统一的目标下开展分工合作。据郑海荣介绍，由他带领的深圳先进院团队主要承担超声辐射力高密度面阵辐射力发生器、万通道电子控制系统及实时磁共振刺激定位成像部件等仪器主体部分研制。强梯度声场设计工作主要由中国科学院声学研究所团队承担，刺激效果对标与标定工作由清华大学团队承担，神经生物学基础机制工作由浙江大学等团队承担，刺激的应用效果工作由首都医科大学、苏州大学团队承担。几年实践下来，多学科交叉团队形成了一套行之有效的工作机制和组织模式。“我们整个大仪器团队划分为12个小组，每周召开一次小组会，每月召开一次大组会，会议纪要有厚厚的几大本。”郑海荣介绍。研究成员表示，这样的机制形成了不同学科背景研究人员之间相互交流和学习、围绕同一目标共同攻关的良好氛围，为高效解决问题奠定了基础。如今，这台由中国科学家独创的高端仪器已经成为脑科学研究领域的“抢手货”。团队核心成员之一、深圳先进院研究员牛丽丽告诉《中国科学报》，目前已经有超过40家国内外科研机构使用了超声刺激仪器，主要应用在有癫痫、帕金森病、抑郁症、成瘾等疾病的小动物和非人灵长类大动物实验中，其有效性和安全性得到了验证。面向未来，让更多科学家用上这种仪器、助力人类脑疾病诊疗，是团队成员共同的期待。

p　　无论是最近上映的《超人总动员2》利用屏幕控制人行动还是令小编印象深刻的英剧《神秘博士》第7季某集中利用平板电脑控制人的能力意识，操控他人意识行动永远是影视剧乐此不疲的元素。现实生活中，通过仪器操控别人行动虽不现实，但有无数科学家付出毕生心血致力于通过外部作用刺激大脑神经进而调整人的行为，相关的科学进展也是不时出现。其中，就包括运用科学仪器进行相关研究，而这也是国家重大科研仪器研制项目，最近，它有了新进展。br//pp　　近日，国家自然科学基金委员会(以下简称自然科学基金委)医学科学部在深圳组织召开国家重大科研仪器研制项目(部门推荐)“基于超声辐射力的深部脑刺激与神经调控仪器研制”中期检查会议。中期检查专家组由国家重大科研仪器研制项目专家委员会委员、管理工作组专家、财务专家及同行专家等13位专家组成。/pp　　国家重大科研仪器研制项目负责人郑海荣研究员和各课题负责人分别向专家组汇报了超声神经调控仪器项目总体进展、仪器研制、科学研究及目标任务完成情况。专家组对设备研制现场、核心部件和技术应用研究进行考察，观看了万阵元面阵系统复杂序列调控和磁共振导航系统的技术演示。/pp　　据悉，该项目由中国科学院深圳先进技术研究院主持承担，是广东省和深圳市首个承担的“国家重大科研仪器设备研制专项”(部委推荐类)重大项目。项目2016年启动，是基于超声波在特定声学条件下能控制神经元电活动的新原理，研制大规模万阵元面阵超声辐射力发生器等一系列核心部件组成的新型仪器系统，从而对大脑深部及脑内全空间神经开展无创精准的刺激与调控，旨在为脑疾病治疗及脑科学研究提供革新性新工具和新手段。/pp　　经过质询和讨论，专家组认为该项目经过近三年的项目攻关，完成了计划任务书规定的前三年研制计划，达到了项目预定中期指标。/p

style type="text/css".TRS_Editor P{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor DIV{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TD{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TH{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor SPAN{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor FONT{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor UL{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor LI{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor A{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }/stylep　　日前，中国科学院深圳先进技术研究院在跨尺度超声神经调控仪器研制方面取得新进展。相关研究成果以emA Portable Ultrasound System for Non-Invasive Ultrasonic Neuro-Stimulation/em为题，发表在神经工程专业期刊emIEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering/em （DOI：10.1109/TNSRE.2017.2765001）上。2017年11月9日《自然》杂志在“未来用于大脑的超声技术”综述文章中引用报道了这一由郑海荣团队研制的超声神经调控仪器，并称之为神经科学和脑疾病研究带来了新武器（emNature/em, vol. 551, pp. 257-9）。/pp　　发展无创精准的新型神经调控技术一直是神经科学和脑疾病领域的迫切需求。超声波作为一种机械波，其力学效应控制神经元电活动新机制的发现，使无创地开展神经刺激成为可能。最新发现超声瞬态刺激在分子、细胞、动物和人脑水平的神经调控科学证据，证实了超声可以控制神经元的活动。超声还可以通过不同的强度、频率、脉冲重复频率、脉冲宽度、持续时间等参数，使刺激部位的中枢神经产生兴奋或抑制效应，从而使神经功能产生双向调节的可逆性变化。这些超声神经调控技术研究成果证实，超声对神经环路的调控机制和脑疾病的发病机理等基础科学问题的研究具有重要潜力，超声作为一种新型无创的神经刺激与调控技术，在脑科学研究和脑疾病干预方面展示出光明前景。/pp　　深圳先进院超声技术团队针对跨尺度超声神经刺激所需要的各种需求，设计开发了神经刺激的专用超声辐射力发射探头及电子设备。超声物理参数包括超声辐射力大小、作用方式、频率、脉冲重复频率、强度和脉冲持续时间等都可以自由调整。同时，该仪器也设置了输出输入同步功能，可以和其他神经电生理设备同步工作以完成神经刺激和信号采集的同步获取。该新型超声神经刺激仪已经初步实现了小动物脑神经调控以及非人灵长类大动物的神经环路调控。/pp　　此外，项目组同步开发了跨尺度、动态多焦点的超声神经调控装置，涵盖了细胞、小动物、灵长类大动物研究的多个仪器，并已经成功开发了2048通道的磁共振兼容超声神经调控系统，为多点动态深脑刺激研究提供了仪器基础。目前，微/小动物神经调控设备已经成功应用到了包括浙江大学、清华大学、上海交通大学、香港理工大学、美国南加州大学、中科院昆明动物研究所、上海生命科学研究院神经科学研究所和心理研究所等十多个国内外神经生物学与脑科学实验室，在超声神经调控及声感基因（声遗传）等关键技术研究中发挥关键作用。/pp　　上述研究工作得到国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制项目支持。/pp style="text-align:center "img alt="" oldsrc="W020171121603234843295.png" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201711/uepic/4c4edba5-5fc1-400b-8f97-aa23e96d8d87.jpg" style="border-left-width: 0px border-right-width: 0px border-bottom-width: 0px border-top-width: 0px" uploadpic="W020171121603234843295.png"//pp style="text-align:center "(a-b)微尺度超声神经刺激芯片；(c)便携式单通道小动物超声神经刺激仪/pp style="text-align:center "img alt="" oldsrc="W020171121599227569946.png" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201711/uepic/92bc7715-b146-4f49-8cc1-7fcb6aa38bf6.jpg"//pp style="text-align: center "千通道级别多点动态超声神经调控换能器及系统/p