Lei Li 1 , Miaoshui Bai 2 , Kelong Cai 3,4 , Doudou Cao 5 , Xuan Cao 6 , Jie Chen 7 , Xue-Ru Fan 8 , Peng Gao 8 , Wenjing Gao 9,12 , Dongzhi He 9 , Fanchao Meng 10,11 , Xi Jiang 1 , Litong Ni 5 , Xiuhong Li 12 , Lizi Lin 13 , Yingqiang Liu 1 , Zhimei Liu 14 , Ning Pan 15 , Qi Qi 5 , Bin Qin 16 , Xiaolong Shan 1 , Xiaojing Shou 8,10,17 , Longlun Wang 16 , Miaoyan Wang 18 , Xin Wang 15 , Dandan Xu 18 , Yin Xu 7 , Yang Xue 2 , Ting Yang 7 , Yun Zhang 16 , Jinhua Cai 16* , Huafu Chen 1* , Aiguo Chen 4,19* , Feiyong Jia 2* , Haoxiang Jiang 18* , Jin Jing 13* , Tingyu Li 7* , Shijun Li 5* , Wei Wang 20* , Jia Wang 6* , Lijie Wu 6* , Xuntao Yin 9* , Rong Zhang 10,17* , Xi-Nian Zuo 8* , China Autism Brain Imaging Consortium, Xujun Duan 1* *co-corresponding authors of this work 1 The Clinical Hospital of Chengdu Brain Science Institute, School of Life Science and Technology, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, PR China.2 Department of Developmental and Behavioral Pediatrics, Children's Medical Center, The First Hospital of Jilin University, Jilin University, Changchun 130021, PR China.3 College of Physical Education, Yangzhou University, Yangzhou 225127, PR China 4 School of Sport and Brain Health, Nanjing Sport Institute, Nanjing 210014, PR China 5 Department of Radiology, First Medical Center, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, PR China 6 Department of Children's and Adolescent Health, Public Health College of Harbin Medical University, Harbin 150086, PR China 7 Children's营养研究中心,教育部儿童发育与疾病的关键实验室,国家儿童健康与疾病临床研究中心,中国国际科学与技术发展基础儿童发展与严重疾病的基础,重庆医学院儿童医院,重庆400042,PR中国PR中国8个州主要的知名神经科学研究,开发,脑海中的脑海中的主要实验室。北京100875,中国公共9号公关科学系,广州儿童神经发育关键实验室,妇女和儿童医疗中心,隶属于广州广州510623,PR中国公关510623,公关101623精神疾病,北京安丁医院,首都医科大学,北京,中国公关12公共卫生学院,深圳市,太阳YAT-SEN UNIVERSION,66 GONGCHANG ROAD,Guangming District 518107,深圳市,PR中国13号母亲和儿童健康部,
对于 LDGPS 的情况,情况类似于为民航实施的局部区域增强系统 (LAAS) [1],固定参考站生成差分 GPS 数据以发送给进场飞机。
a 法国马赛艾克斯—马赛大学 INSERM、INS、系统神经科学研究所 b 法国普罗旺斯地区艾克斯—马赛大学、CNRS、LPL c 美国加利福尼亚州洛杉矶南加州大学信号与图像处理研究所 d 意大利国家研究委员会神经科学研究所,意大利帕尔马 e 德国波鸿鲁尔大学心理学系、认知神经科学研究所、Universitätsstraße 150 号,波鸿 44801 f 北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室和 IDG/麦戈文脑研究中心,北京市海淀区新街口外大街 19 号,100875,中国 g 美国圣地亚哥加利福尼亚大学拉霍亚分校认知科学系 h 美国德克萨斯大学戴尔医学院神经病学系奥斯汀,美国德克萨斯州奥斯汀 i 德克萨斯大学奥斯汀分校神经科学研究所,美国德克萨斯州奥斯汀 j 德克萨斯大学奥斯汀分校穆迪传播学院言语、语言和听力科学系,美国德克萨斯州奥斯汀 k 梅奥诊所生理学和生物医学工程系,美国明尼苏达州罗彻斯特 l 宾夕法尼亚大学心理学系,美国宾夕法尼亚州费城 m 加利福尼亚大学伯克利分校心理学系和海伦·威尔斯神经科学研究所,美国加利福尼亚州 94720 n 加利福尼亚大学伯克利分校海伦·威尔斯神经科学研究所,美国 o 日内瓦大学医学院临床神经科学系,瑞士日内瓦 p 马克斯·普朗克经验美学研究所神经科学系,德国法兰克福 Grüneburgweg 14,邮编 60322 q 纽约大学神经病学系格罗斯曼医学院,纽约东 32 街 145 号 828 室,邮编 10016,美国 r 梅奥诊所神经外科系,罗彻斯特,MN 55905,美国 s 荷兰奈梅亨拉德堡德大学 Donders 大脑、认知和行为研究所 t 荷兰奈梅亨拉德堡德大学医学心理学系,Donders 医学神经科学中心 u 美国印第安纳州布卢明顿印第安纳大学心理与脑科学系、神经科学和认知科学项目 v 荷兰乌得勒支大学脑中心神经病学和神经外科系 w 神经回路和认知实验室,欧洲神经科学研究所哥廷根 - 由德国哥廷根大学医学中心和马克斯·普朗克学会联合发起 x 德国灵长类动物中心感知与可塑性小组,莱布尼茨灵长类动物研究所,德国哥廷根 y 加州大学拉霍亚分校神经科学研究生项目,美国新罕布什尔州汉诺威市 z 达特茅斯学院心理与脑科学系,美国新罕布什尔州 aa 俄勒冈大学人体生理学系,美国 ab Hal ı c ı o ğlu 加州大学拉霍亚分校数据科学研究所,美国圣地亚哥 ac 加州大学拉霍亚分校卡弗里大脑与思维研究所,美国圣地亚哥 ad 中国科学院心理健康重点实验室,北京 ae 中国科学院大学心理学系,北京 af 里昂神经科学研究中心,EDUWELL 团队,INSERM UMRS 1028, CNRS UMR 5292, Université Claude Bernard Lyon 1, Université de Lyon, Lyon F-69000, France ag NatMEG, 卡罗林斯卡学院, 斯德哥尔摩, 瑞典
毫米级无电池硬膜外皮质刺激器 Joshua E. Woods 1,& , Amanda L. Singer 1,2,& , Fatima Alrashdan 1 , Wendy Tan 1 , Chunfeng Tan 3 , Sunil A. Sheth 3 , Sameer A. Sheth 4 , Jacob T. Robinson 1,2,5,6,7 * 1 莱斯大学电气与计算机工程系,6100 Main St, Houston, TX, 77005 2 Motif Neurotech,702 Marshall St, Houston, TX, 77006 3 UTHealth McGovern 医学院神经内科,6431 Fannin St, Houston, TX, 77030 4 贝勒医学院神经外科系,1 Baylor Plaza, Houston, TX, 77030 5 莱斯大学生物工程系, 6100 Main St,休斯顿,德克萨斯州,77005 6 莱斯大学应用物理学项目,6100 Main St,休斯顿,德克萨斯州,77005 7 贝勒医学院神经科学系,1 Baylor Plaza,休斯顿,德克萨斯州,77030 & 这些作者贡献相同 * 通讯作者,jtrobinson@rice.edu 摘要 难治性神经和精神疾病越来越多地使用植入式神经调节装置进行脑刺激疗法治疗。然而,目前市售的刺激系统受到对植入式脉冲发生器和有线电源的需求的限制;这种架构的复杂性会产生多个故障点,包括导线断裂、移位和感染。实现微创方法可以增加获得这些疗法的机会。在这里,我们展示了第一个毫米大小的无导线脑刺激器,用于大型动物和人类受试者。这种数字化可编程的超脑治疗装置 (DOT) 宽度约为 1 厘米,但可以通过硬脑膜产生足够的能量来按需刺激皮质活动。这种极端的小型化是使用最近开发的磁电无线电力传输实现的,它使我们能够达到刺激大脑表面所需的功率水平,而无需直接接触皮质表面。这种外部供电的皮质刺激 (XCS) 开启了简单的微创外科手术的可能性,可以通过永不接触大脑表面的微型植入物实现精确、持久和在家的神经调节。当药物无效、效果不佳或产生无法忍受的副作用时,患者和临床医生越来越多地转向神经调节来寻求有效的治疗方法。对于帕金森病 (PD) 和特发性震颤 (ET),深部脑刺激是治疗震颤 1 和其他症状 2 的标准治疗方法。对于重度抑郁症 (MDD) 和强迫症 (OCD) 等精神健康问题,越来越多的共识认为,当药物无法提供充分治疗时,通过神经生理学调节特定大脑区域的活动可以提供一种有效的治疗方法 3 。经颅磁刺激 (TMS) 就是应用这种刺激的一种方法。TMS 可以使用 1-2 特斯拉的外部磁场 4 ,非侵入性地激活大脑表面几毫米到几厘米大小的小区域,并且已经在大量临床研究中成功用于治疗神经精神疾病。自 1998 年以来,使用 TMS 治疗神经精神疾病的临床试验数量呈指数级增长,翻倍时间约为 2.5 年 5 。根据这些临床试验的数据,FDA 已批准使用 TMS 治疗难治性抑郁症,并且如果患者对传统抗抑郁疗法无效,大多数保险公司都会报销多次临床治疗的费用 6 。还有有希望的数据表明,TMS 可用于治疗强迫症 7 、创伤后应激障碍 8 和阿尔茨海默病 9 。虽然 TMS 是一种经过临床验证的疗法,但这种疗法有两个主要局限性。首先,TMS 系统目前需要大约 3 MW 10 的大峰值功率,这意味着它们目前仅获准在诊所使用。因此,对于住得离 TMS 设施较远或无法从工作或其他生活中抽出时间接受日常 TMS 治疗的患者,无法使用 TMS。其次,每次治疗定位可能不精确,因为每次患者在诊所时都必须对准刺激器。虽然还有其他非侵入性脑刺激形式,如经颅直流刺激 (tDCS) 和经颅交流刺激 (tACS),但没有一种家用神经刺激技术得到广泛使用,可能是因为非侵入性电刺激器产生的电场无法达到直接激活大脑区域所需的场强,而不会激活头皮中的神经,而头皮神经会产生疼痛的副作用 11 。植入式刺激器可以提供精确的电刺激,持续激活大脑,但这些植入物需要复杂的外科手术,其成本和复杂性可能会限制患者的接受度。传统上,慢性刺激器的植入包括由电池供电的植入式脉冲发生器 (IPG),通过电线连接到刺激部位 12–15 。当 IPG 植入胸部时,导线必须穿过头部和颈部,据报道,4% 至 15% 的植入导线会因频繁移动而发生导线移位和断裂 16,17 。或者,也可以将 IPG 植入颅骨中,这需要患者接受开颅手术 18,19 。尽管如此,这些类型的设备已成功用于根据这些临床试验的数据,FDA 已批准使用 TMS 治疗难治性抑郁症,并且如果患者对传统抗抑郁疗法无效,大多数保险公司会报销多次诊所治疗的费用 6。还有有希望的数据表明,TMS 可用于治疗强迫症 7、PTSD 8 和阿尔茨海默病 9。虽然 TMS 是一种经过临床验证的疗法,但这种疗法有两个主要局限性。首先,TMS 系统目前需要大约 3 MW 10 的大峰值功率,这意味着它们目前仅被批准用于诊所。因此,对于那些住得离 TMS 设施很远或无法抽出时间离开工作或其他生活活动来参加日常 TMS 治疗的患者来说,TMS 是无法使用的。其次,由于患者每次在诊所时都必须对准刺激器,因此每次治疗的定位可能不精确。虽然还有其他非侵入性形式的脑刺激,如经颅直流电刺激 (tDCS) 和经颅交流电刺激 (tACS),但没有一种家用神经刺激技术得到广泛使用,可能是因为非侵入性电刺激器产生的电场无法达到直接激活大脑区域所需的场强,而不会激活头皮中的神经,而头皮神经会产生疼痛的副作用 11 。植入式刺激器可以提供精确的电刺激,持续激活大脑,但这些植入物需要复杂的外科手术,其成本和复杂性会限制患者的采用。传统上,慢性刺激器的植入包括由电池供电的植入式脉冲发生器 (IPG),通过电线连接到刺激部位 12–15 。当 IPG 植入胸部时,导线必须穿过头部和颈部,据报道,4% 至 15% 的植入导线因频繁移动而导致导线移位和断裂 16,17 。或者,也可以将 IPG 植入颅骨中,这需要患者接受开颅手术 18,19 。尽管如此,这些类型的装置已成功用于根据这些临床试验的数据,FDA 已批准使用 TMS 治疗难治性抑郁症,并且如果患者对传统抗抑郁疗法无效,大多数保险公司会报销多次诊所治疗的费用 6。还有有希望的数据表明,TMS 可用于治疗强迫症 7、PTSD 8 和阿尔茨海默病 9。虽然 TMS 是一种经过临床验证的疗法,但这种疗法有两个主要局限性。首先,TMS 系统目前需要大约 3 MW 10 的大峰值功率,这意味着它们目前仅被批准用于诊所。因此,对于那些住得离 TMS 设施很远或无法抽出时间离开工作或其他生活活动来参加日常 TMS 治疗的患者来说,TMS 是无法使用的。其次,由于患者每次在诊所时都必须对准刺激器,因此每次治疗的定位可能不精确。虽然还有其他非侵入性形式的脑刺激,如经颅直流电刺激 (tDCS) 和经颅交流电刺激 (tACS),但没有一种家用神经刺激技术得到广泛使用,可能是因为非侵入性电刺激器产生的电场无法达到直接激活大脑区域所需的场强,而不会激活头皮中的神经,而头皮神经会产生疼痛的副作用 11 。植入式刺激器可以提供精确的电刺激,持续激活大脑,但这些植入物需要复杂的外科手术,其成本和复杂性会限制患者的采用。传统上,慢性刺激器的植入包括由电池供电的植入式脉冲发生器 (IPG),通过电线连接到刺激部位 12–15 。当 IPG 植入胸部时,导线必须穿过头部和颈部,据报道,4% 至 15% 的植入导线因频繁移动而导致导线移位和断裂 16,17 。或者,也可以将 IPG 植入颅骨中,这需要患者接受开颅手术 18,19 。尽管如此,这些类型的装置已成功用于每次治疗定位可能不精确,因为患者每次去诊所时都必须对准刺激器。虽然还有其他非侵入性形式的脑刺激,如经颅直流电刺激 (tDCS) 和经颅交流电刺激 (tACS),但没有一种家用神经刺激技术得到广泛使用,可能是因为非侵入性电刺激器产生的电场无法达到直接激活大脑区域所需的场强,而不会激活头皮中的神经,从而产生疼痛的副作用 11 。植入式刺激器可以提供精确的电刺激,持续激活大脑,但这些植入物需要复杂的外科手术,其成本和复杂性可能会限制患者的采用。慢性刺激器的植入传统上包括由电池供电的植入式脉冲发生器 (IPG),并通过电线连接到刺激部位 12–15 。当 IPG 植入胸部时,导线必须穿过头部和颈部,频繁移动会导致导线移位和断裂,据报道,植入导线中有 4% 至 15% 会发生这种情况 16,17 。或者,也可以将 IPG 植入颅骨中,这需要患者接受开颅手术 18,19 。尽管如此,这些类型的设备已成功用于每次治疗定位可能不精确,因为患者每次去诊所时都必须对准刺激器。虽然还有其他非侵入性形式的脑刺激,如经颅直流电刺激 (tDCS) 和经颅交流电刺激 (tACS),但没有一种家用神经刺激技术得到广泛使用,可能是因为非侵入性电刺激器产生的电场无法达到直接激活大脑区域所需的场强,而不会激活头皮中的神经,从而产生疼痛的副作用 11 。植入式刺激器可以提供精确的电刺激,持续激活大脑,但这些植入物需要复杂的外科手术,其成本和复杂性可能会限制患者的采用。慢性刺激器的植入传统上包括由电池供电的植入式脉冲发生器 (IPG),并通过电线连接到刺激部位 12–15 。当 IPG 植入胸部时,导线必须穿过头部和颈部,频繁移动会导致导线移位和断裂,据报道,植入导线中有 4% 至 15% 会发生这种情况 16,17 。或者,也可以将 IPG 植入颅骨中,这需要患者接受开颅手术 18,19 。尽管如此,这些类型的设备已成功用于