怀卡托大学研发新型经颅磁刺激电路 望提升脑刺激研究精度

怀卡托大学(University of Waikato)工程学院讲师Dr Soniya Raju的研究文章9月14日发表于《星期日星报》(Sunday Star-Times)“Brainwaves”专栏,介绍了她在博士阶段参与研发的一套经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation,简称TMS)新电路方案。这套方案成本更低、体积更小,可让研究人员更精确地控制磁刺激脉冲的强度、长度和波形,有助于弄清大脑对不同刺激方式的反应。

TMS技术利用置于头部上方的线圈产生磁场,在不接触头皮的情况下刺激脑内神经元。这项技术目前已在国际上用于治疗抑郁症,同时也在被研究用于焦虑症、帕金森病(Parkinson's disease)和中风康复等领域,但大脑对不同磁脉冲及刺激强度的具体反应机制,目前仍有许多未知。

Dr Raju的博士导师此前已在研究如何将TMS设备小型化,并设计出了一款线圈,但配套电路仍需进一步开发——这正是Dr Raju凭借电气与电子工程背景可以发挥作用的地方。

团队最终设计出一套更简单、更经济的方案,用以产生小型化TMS所需的高压脉冲。传统系统依赖专用电源,而这套新电路使用超级电容器(supercapacitor)提供所需能量,从而降低了系统复杂度。

新系统还能让研究人员精确控制每个脉冲的强度、长度和波形。这一点很重要,因为不同波形可能对大脑产生不同影响,但具体哪种参数设置最适合刺激大脑的特定区域,仍需更多研究才能明确。

团队成功测试了一款概念验证原型,并为此专门开发了一套数值模型——由于现有方法无法准确预测该电路的行为特性,新模型让不同的控制信号可以先经过测试和优化,再应用到实体系统上。模型预测结果与实验结果高度吻合,这让团队对该设计及其应用前景更有信心,认为它能为研究人员提供一种更灵活、更经济的方式,用以研究大脑对磁刺激的反应。

下一步是开发这套系统的微型版本,用于实验室的受控环境测试。在更小尺度上进行研究,有助于科研人员了解该技术的实际表现,进一步认识不同磁脉冲及刺激强度所产生的效应,这些发现将为日后探讨该技术能否用于人体提供参考。

早期测试显示,该电路能够产生所需输出,包括高达400毫特斯拉(millitesla)的磁场强度,但其具体生物效应仍有待进一步研究确认。

对Dr Raju而言,神经科学此前完全是陌生领域。在开始这项研究前,Dr Raju从未接触过这类实验室工作,这也成为整个项目中最令人着迷的部分之一。搭建电路的过程同样充满挑战,期间烧坏了不少电容器和电感器,但解决这些问题被视为博士阶段最有成就感的经历之一。

让Dr Raju感到意外的是这项技术的潜在影响。研究之初,这套设备更多被视为一项工程课题;但随着研究推进,Dr Raju逐渐意识到它对于心理健康患者或中风康复者可能意味着什么。已有研究表明,刺激神经元或有助于中风后的恢复,但相关潜在益处与风险仍需更多研究才能厘清。博士阶段起初的重点主要是工程难题本身,到后期,思考的重心逐渐转向这项工程技术未来可能带来的影响。

现任讲师的Dr Raju表示,希望有机会进一步推进这项研究。扩展该系统需要专门设备和额外资金支持,但这有望帮助研究人员更深入理解磁刺激大脑的机制,并最终推动这项技术安全地应用于改善人们的生活。