中国团队在超声深脑神经调控方面取得新技术突破

近日，华中科大集成电路学院联合武汉大学人民医院在《自然通讯》（Nature Communications）上发表题为“KNN-based frequency-adjustable ferroelectric heterojunction and biomedical applications”（基于KNN的频率可调铁电异质结和生物医学应用）的论文。

脑调控是阐明大脑功能机制并治疗相关疾病的有效策略。与传统技术（如光遗传学、经颅磁刺激和经颅电刺激）相比，经颅聚焦超声刺激具有独特的优势，包括高穿透深度、高空间分辨率和出色的生物相容性。由于许多神经系统和心血管疾病（如帕金森病、癫痫、阿尔茨海默病和心肌梗死）具有慢性且难治性的特点，因此需要长期、高精度的神经调控来改善异常的神经活动。然而，传统的经颅聚焦超声设备在实际应用中存在诸多限制。首先，其体积大且聚焦精度不足，不适合完全植入；此外，现有器件多为固定焦距，缺乏对脑区精确靶向调控的灵活性。因此，目前的经颅聚焦超声设备仍无法满足长期、高精度神经调控的需求。

论文研究开发了基于无铅K₀.₅Na₀.₅NbO₃（KNN）压电陶瓷的频率可调铁电异质结（f-FH），其压电系数高达d₃₃=680 pC/N，且实现小型化（直径13.3 mm，厚度2.28 mm），适合植入。该器件在2.7–3.3 MHz窄频范围内实现1.5 mm的连续焦距调节。通过对心肌梗死（MI）大鼠模型的长期经颅神经调节，有效抑制交感神经过度激活、减小心肌梗死面积和改善心功能，为脑调节及MI临床治疗提供了新策略。