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亚毫米尺寸阵列式微磁刺激装置设计及其对海马区Schaffer-CA1突触可塑性调控机理的研究

批准号:
61871288
项目类别:
面上项目
资助金额:
16.0 万元
负责人:
郑羽
依托单位:
学科分类:
生物电子学与生物信息处理
结题年份:
2019
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
王慧泉、熊慧、陈瑞娟、赵喆、窦珺荣、马卫、薛静、程建豪、马晓旭

项目摘要

结项摘要

项目成果

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中文摘要
微磁刺激作为一种新的神经调控技术,具有体积小、靶向性强和无创等优点使其成为未来临床的一种优先选择,然而,其对学习和记忆的作用机制尚不清楚。项目根据海马区神经通路的结构,采用有限元分析方法,从线圈产生的磁场和感应电场大小和分布角度研究磁场效应机制,设计和优化电感线圈参数和阵列结构,解决该装置的生物相容性和安全性等关键问题,并设计一款亚毫米尺寸阵列式微磁刺激装置,其具有体积小、多点协同刺激、控制灵活、靶向性强、磁刺激和微电极阵列电生理记录同步完成等优点。在此基础上,单点磁刺激海马区Schaffer侧枝神经通路,多点磁刺激PP-DG-CA3-CA1神经通路,共同探究其对海马区Schaffer-CA1突触可塑性的调控规律,研究最优磁刺激参数和最佳靶点位置,为植入式微磁装置靶向性治疗提供基础。项目将推动磁刺激技术进一步发展和更大规模应用,提高小到足以植入大脑组织的亚毫米尺寸微磁刺激线圈应用的可能性。
英文摘要
As a new neuromodulation technology, there are a wide range of advantages in micro-magnetic stimulation(mMS), such as small sizes, strong targeting features and non-invasiveness, which make it quite promising in future clinical research and applications. However, the underlying mechanism of the effect of mMS on learning and memory is not yet clearly elucidated. According to the structure of neural pathway in hippocampus, finite element analysis will be adopted to study the analytical mechanism of bio-magnetic effects induced by the magnetic field produced by the coil, particularly focused on the evaluation of the intensity and distribution of the coil magnetic and induced electric field. Appropriate design will be utilized to optimize the parameters of inductance coils and array structure to help eliminate or minimize key problems, such as biocompatibility and safety of the device. Furthermore, a sub-millimeter array device of mMS will be designed, which can achieve better features like multi-point synergistic stimulation, flexible control, strong targeting although with a smaller size, and can also record physiological data of neurons and the applied magnetic field during magnetic stimulation simultaneously. In our study, single point magnetic stimulation will be adopted for Schaffer collateral nerve pathway in the hippocampus and multiple magnetic stimulation will be performed on the PP-DG-CA3-CA1 neural pathways, which hopefully can research the possible regulating mechanisms of mMS on hippocampal Schaffer-CA1 synaptic plasticity, and can help explore the optimal mMS parameters and the best target position at the same time. Moreover, the research outcome may also provide the theoretical and practical basis for the targeted therapy of the implanting micro-magnetic devices. The project will promote further development and more large-scale application of magnetic stimulation technology. Additionally, the research will contribute to development of implanted devices, particularly to that of sub-millimeter-sized mMS coils into brain tissues.
神经精神疾病正在严重影响着我国人民的健康,其造成的负担到2020年将占到疾病总负担的四分之一以上,在我国疾病总负担中排名首位。经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation, TMS)技术已经被证明对于治疗许多神经系统疾病,如重性抑郁症和阿尔兹海默症等都具有很大益处。然而,TMS由于其线圈尺寸较大,难以定位大脑深部目标区域,具有较低的空间分辨率,因此在临床应用中难以达到最佳治疗效果。因此,为解决上述“瓶颈问题”,本项目设计了一款可实现在多电极阵列平台上实时磁刺激、控制灵活、靶向性强的亚毫米尺寸单点和阵列式微磁刺激(mMS)装置,并研究其对海马区Schaffer-CA1突触可塑性的调控规律。本研究采用将电感器焊接在柔性电路板上,并在电路板背部预留焊点位置实现与外部驱动电路相连;通过生物相容性聚合物10 μm厚的聚对二甲苯-C实现对电感线圈器件的包裹,用来防止电感线圈通电时在溶液中短路,同时满足其与生物组织的兼容性;通过热电偶实时监测电感线圈工作时的温度,结果显示mMS温度变化很小,证明了mMS应用的安全性以及其对实验结果不会产生误差影响;通过对上位机软件设计、单片机编程、功率放大器外围电路整合来完成驱动模块的设计,可实现通过软件来实时同步控制mMS的驱动参数;通过微操纵器实现对于单点和阵列mMS装置的各方向精确移动,实现对生物组织的“靶向性”刺激;将mMS线圈放置于海马Schaffer-CA1通路上,探究不同时期加入磁刺激对长时程增强(LTP)的影响,结果表明,与对照组相比,20分钟的mMS能够显著性降低LTP水平,实验结果证明了本项目所设计mMS的可行性;本项目还对不同参数电磁场对海马Schaffer-CA1区LTP影响的机制进行了探究,结果显示,电磁场对LTP作用效果与加入磁刺激的时长、频率和磁场强度均有关,并且磁场作用效果不会单次耗尽而是可以持续两次LTP诱导过程,实验结果还表明,NMDA(N-methyl-D-aspartic acid)受体参与了磁场对LTP的调控过程,但非唯一被调控物。本项目的研究成果将推动磁刺激技术进一步发展,提高小到足以植入大脑组织的亚毫米尺寸微磁刺激线圈应用的可能性。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Indocyanine Green Accurately Track the Phototherapy Based on W18O49@ PLGA Nanostructure In Vivo for Visual Treat
吲哚菁绿基于W18O49@PLGA纳米结构准确追踪光疗体内视觉治疗
DOI: 10.1166/sam.2019.3609
发表时间: 2019
期刊: Science of Advanced Materials
影响因子: 0.9
作者: [Wang Hui Quan, Xia Fang, Han Jia Wen, Hu Peng Fei, Zhao Zhe, Zheng Bin, Wang Han Jie, Zheng Yu, Wang Jin Hai]
通讯作者: Wang Jin Hai
DOI: 10.1109/access.2019.2947690
发表时间: 2019-10
期刊: IEEE Access
影响因子: 3.9
作者: [Zheng Yu, Tian Chunxiao, Dong Lei, Ma Xiaoxu, Gao Yang, Xiong Chan, Zhang Anghui, Li Chengshuang]
通讯作者: Li Chengshuang
DOI: 10.16289/j.cnki.1002-0837.2019.04.011
发表时间: 2019
期刊: 航天医学与医学工程
影响因子: --
作者: [熊慧, 罗小慧, 刘近贞]
通讯作者: 刘近贞
DOI: 10.1016/j.infrared.2019.01.009
发表时间: 2019-03
期刊: Infrared Physics & Technology
影响因子: 3.3
作者: [Zhao Zhe, Yin Haoran, Yan Wen, Wang Hui, Wang Huiquan]
通讯作者: Wang Huiquan
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    亚毫米尺寸植入式多通道微磁刺激装置设计及其对海马区Schaffer-CA1突触可塑性靶向性协同调控机制的研究
    • 批准号:
      62071329
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      56.0万元
    • 批准年份:
      2020
    • 负责人:
      郑羽
    • 依托单位:
    国内基金
    海外基金