大脑的相交短脉冲电刺激制造技术

一种用于大脑电刺激的系统，包括在患者的大脑周围(直接或间接地通过硬脑膜、颅骨或皮肤层)布置的多个电极，使得连接每个电极对的轴在预定的焦点处相交，并且独立于地的开关电路被配置为经由多个独立于地的开关选择性地激活和停用电极。电极被顺序地激活和停用。

Short pulse electrical stimulation of brain

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】大脑的相交短脉冲电刺激相关申请的交叉引用本申请要求于2017年5月18日提交的美国临时申请No.62/508,251的优先权权益，该申请出于所有目的通过引用整体并入本文。
本公开总体涉及用于经颅电刺激的系统和方法。更具体而言，本公开涉及用于以空间和/或时间选择性的方式与神经元和/或神经胶质活动交互的相交短脉冲电刺激的系统和方法。
技术介绍
由于大脑振荡过程中的病理变化，神经精神疾病会加剧。大多数治疗干预措施旨在恢复生理活动模式。在药理学方法中，患者服用作用于中枢神经系统的药物。作为药理学方法的附加或替代方法，在电调制方法中可以通过外部生成的电场来修改大脑活动。电调制方法相对于药理学方法的优点是电场会瞬间建立和消除。因此，电刺激的效果可以被精确地定时，而在非刺激时段期间没有不利影响。当前，存在三种通过使用电或磁方法影响神经元回路的活动的方式。第一种方法深部脑刺激是侵入性方法，其中电流经由植入脑组织的电极局部递送到大脑的(一个或多个)目标区域。第二种方法经颅磁刺激是非侵入性规程，其使用磁场来感应电流，从而间接刺激大脑中的神经细胞。经颅磁刺激可以是具有挑战性的，因为用于生成磁场的装置不能任意小型化，因为由于物理的限制，感应磁场的线圈具有一定的最小尺寸要求。最后，第三种方法电刺激是非侵入性或微创规程，它使用电场来刺激大脑中的神经细胞。在非侵入性电刺激规程中，电极是表皮的，而在微创电刺激规程中，电极是皮下的。这些方法被认为是非侵入性或微创的，因为将刺激电极植入皮肤或颅骨表面，后者需要在皮肤上造成一个切口，但二者都不会破坏颅骨的完整性(即，通过开颅手术)。电刺激可以是具有挑战性的，因为施加到皮肤/颅骨的小电极只能在大脑中引起相对分散的、非靶向的效果。在电刺激方法中，可以使用各种刺激波形，诸如直流电、交流电和随机噪声。电刺激方法的示例包括但不限于经颅电刺激(TES)、经皮(头皮)直流电刺激(tDCS)、经皮(经颅)交流电刺激(tACS)和经皮(经颅)随机噪声刺激(tRNS)。为了避免术语的歧义，不考虑所施加的波形，使用放置在皮肤外表面上的电极的非侵入性方法称为经皮经颅电刺激(tcTES)。类似地，将电极放置在皮肤下方，要么放到颅骨的外表面上要么放到颅骨骨头的外部区段中(即，放到外部致密层或海绵层中)，从而保持至少颅骨的内部致密层的完整性的微创方法被称为皮下经颅电刺激(scTES)。经皮直流电刺激(在文献中称为tDCS)和经皮交流电刺激(在文献中称为tACS)都已广泛用于尝试影响认知行为和各种形式的脑部疾病。由于缺乏对人的神经元诱导作用的直接支持，迄今为止，尚无这些方法如何影响认知或疾病的公认的生理学理论。一个潜在的目标是调制内源性脑振荡。但是，头皮的电刺激可以以多种间接方式影响大脑活动，包括激活传入神经、视网膜和前庭装置、星状细胞和血管周围元素，以及其它可能未知的方式和安慰剂作用。对于许多治疗应用，将期望以区域约束的方式直接影响神经元，从而立即且可重复地达到最大的目标效果并减少对非预期大脑网络的副作用。但是，通过头皮施加的电流来实现目标效果需要准确了解人的头部中的电场分布，并利用通过多个电极的电流施加的相交方法。由神经元自身生成的或者外部施加的在细胞外空间中扩散的电场可以影响神经元的跨膜电位，并因此影响动作电位的发生概率。可以利用要么局部地(例如，在深部脑部刺激中)要么通过头皮非侵入性/微创诱发的强制电场来影响人的大脑活动，以探测大脑的生理模式，并且有可能改善脑部疾病。大量的实验证据表明，足够量值的电场可以影响膜电位(Vm)和神经元的尖峰二者。此类神经元间接触的效果取决于神经元的形态、生物物理特性和相对于电场偶极子的树突朝向的组合。体外实验和计算模型表明，感应电偶极子场的电压梯度应当超过1mV/mm，以生成可观察到的神经元响应。在体内，阈值估计更为复杂，因为内源性Vm波动(例如，由于突触输入或细胞的内部动态)和神经元间接触的效果可以累加或相减。原则上，当以正确的网络状态施加时，例如在神经元振荡的适当阶段，即使Vm的极弱的神经元间接触强迫也会诱导神经元的网络。对行为动物的测量表明，经颅施加的电流可诱发新皮层和海马神经元的锁相放电，影响细胞内测得的或通过局部场电位(LFP)的幅度间接测得的阈值下Vm。总而言之，实验室实验得出的共识是，大脑组织中量值足够大的磁场可以持续影响神经元组。已经假设对头皮的电刺激可以偏置或诱导人的大脑中的原生网络。但是，由于皮肤、皮下软组织、颅骨、脑脊液和脑褶关于电流扩散的未知特性，动物结果向人的翻译变得复杂。通过被麻醉的患者的颅内螺钉电极的强烈刺激(>50mA；0.5ms脉冲)显示令人信服的大脑网络诱发的效果。直到最近，由于缺乏同时刺激和记录大脑活动而不会失真的方法，因此尚无任何方法可以证明给定的强度范围来诱发可靠的神经元作用。因此，施加到头皮以在人的大脑中生成期望电压梯度的最小电流的估计值相差很大，在大多数临床和实验研究中，出于安全考虑，已使用最大1mA到2mA的电流，以减小周围引发的感觉效应。最近，在人的尸体的大脑中进行直接电场测量表明，人体头皮和颅骨的电分流作用比以前估计的要大。与直接在脑表面刺激相比，颅骨的存在会减弱大约25％的脑内电梯度，如果还存在头皮和皮下软组织，那么脑内电梯度会进一步降低50％。这些测量要求至少需要5mA的刺激电流才能可靠地立即控制在许多应用中期望立即产生作用(例如，在癫痫发作开始后立即迅速地使其终止)的所选择的大脑区域的活动。为了在目标区域处生成至少1mV/mm强度的电场，可以将非侵入性的表皮电极对准头皮表面，并以5mA或更大的电流强度来使用。为了在目标区域生成强度至少为1mV/mm的电场，可以将微创皮下电极对准颅骨表面，并以2mA或更大的电流强度来使用。但是，这两种方法都具有挑战性，因为施加2mA电流超过几十秒会由于皮肤和皮下组织中的局部刺激而在电极-皮肤接触部位产生严重的不利影响。特别地，使用现有的经颅刺激方案，由于不利的皮肤效果(例如，瘙痒、灼热感、疼痛)、由于视网膜刺激而导致视觉中的光幻视(火花)以及由于电极附近的大电梯度生成的对前庭装置的刺激而引起的头晕，在足够长的时间内持续与内源性网络活动交互(即，至少几十到几百毫秒)地施加>2mA电流对患者来说是不易忍受的。因此，常规方法无法忍受或不可能达到5mA或更高的强度(对于非侵入性皮下电极)，并且常规方法难以达到2mA或更高的强度(对于微创皮下电极))。使用2mA或更低电流的传统电刺激方法有可能通过非神经元方式起作用，并且在长刺激时段期间累积后才有延迟效应。因此，这种方法不适用于立即干预，例如，快速终止癫痫发作。颅骨内或颅骨下方的侵入性电极可以允许通过甚至更小的电流达到1mV/mm的脑内电场强度，但是这要求通过打开颅骨来进行大量的外科手术干预。需要改进的技术以开发以空间和时间选择性的方式与神经元活动交互的非侵入性或微创方法。
技术实现思路
各种实施例涉及一种用于大脑电刺激的系统，其包括布置的多个电极。多个电极对布置在多个电极组中。每个电极组包括两个或更本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于大脑电刺激的系统，包括：/n多个电极，布置在多个电极组中，每个电极组包括两个或更多个电极，其中至少一个电极被设置为不同的电位电平，使得在电极组的成员之间生成电压差，所述多个电极被布置于以下之一：/n患者的头皮的外表面，/n患者的颅骨的外表面，/n患者的颅骨中，在患者的大脑或硬脑膜表面上，或/n患者的大脑中；/n独立于地的开关电路，被配置为经由至少一个独立于地的开关选择性地激活和停用电极组；并且/n其中连接每个电极组内的被设置为不同电位电平的电极的轴或生成的电场的轴在一个或多个预定的焦点处相交，/n其中独立于地的开关电路被编程为顺序地激活和停用电极组，并且/n其中所述系统利用神经元和/或神经胶质细胞膜的电容特性来实现电荷积分机制，该机制对于通过两个或更多个被激活的电极递送的多个独立的顺序电脉冲的效果在时间上进行积分。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170518 US 62/508,2511.一种用于大脑电刺激的系统，包括：
多个电极，布置在多个电极组中，每个电极组包括两个或更多个电极，其中至少一个电极被设置为不同的电位电平，使得在电极组的成员之间生成电压差，所述多个电极被布置于以下之一：
患者的头皮的外表面，
患者的颅骨的外表面，
患者的颅骨中，在患者的大脑或硬脑膜表面上，或
患者的大脑中；
独立于地的开关电路，被配置为经由至少一个独立于地的开关选择性地激活和停用电极组；并且
其中连接每个电极组内的被设置为不同电位电平的电极的轴或生成的电场的轴在一个或多个预定的焦点处相交，
其中独立于地的开关电路被编程为顺序地激活和停用电极组，并且
其中所述系统利用神经元和/或神经胶质细胞膜的电容特性来实现电荷积分机制，该机制对于通过两个或更多个被激活的电极递送的多个独立的顺序电脉冲的效果在时间上进行积分。


2.如权利要求1所述的系统，其中所述多个电极中的每个电极是一个或多个电极组的成员。


3.如权利要求1所述的系统，其中所述多个电极中的每个电极仅是一个电极组的成员。


4.如权利要求1所述的系统，其中周期包括电极组中的每个电极的一次激活和一次停用，并且周期的持续时间为1到100毫秒。


5.如权利要求4所述的系统，其中每个电极组被激活的时间短于3.5ms。


6.如权利要求4所述的系统，其中任何电极组的连续的重新激活之间的暂停时间至少是其先前激活的持续时间的两倍。


7.如权利要求6所述的系统，其中，由于神经元和/或神经胶质细胞膜的电容性特性以及随之发生的时间积分，大脑组织的任何细胞都在焦点处将多个高强度脉冲感知为平滑、连续的积分刺激。


8.如权利要求1所述的系统，其中周期包括电极组中每个电极的一次激活和一次停用，并且周期的持续时间小于神经元和/或神经胶质细胞膜的时间常数。


9.如权利要求1所述的系统，其中独立于地的开关电路包括：
所述至少一个独立于地的开关，被配置为连接或断开两条或更多条信号线；
至少一个二极管；以及
命令电路，被配置为驱动所述至少一个独立于地的开关。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·贝伦伊，G·布兹扎基，
申请(专利权)人：纽约大学，赛格德大学，
类型：发明
国别省市：美国;US