FLEX-DBS: a flexible wireless platform for bilateral constant-current deep brain stimulation in freely moving rodents
FLEX-DBS 是一种用于啮齿动物的轻量化、无线头戴式平台，它能够实现可编程、双侧恒流深部脑刺激，并具备实时控制与自主运行功能，尽管其电池续航时间仅约三天，但仍为有线系统提供了一种灵活的替代方案。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
脑深部电刺激是一种利用微小的电脉冲来平息或激活大脑特定部分的医疗手段。它已成为帕金森病等严重运动障碍患者的标准疗法，研究人员也正越来越多地将其用于慢性疼痛和抑郁症等疾病的研究。为了准确理解这些电脉冲如何改变大脑和行为，科学家们在实验室动物（通常是小鼠）身上研究这项技术。几十年来，这些实验一直依赖于一种简单但具有局限性的设置：一根导线将动物连接到其笼子外的庞大机器上。这种束缚限制了动物的自由活动，使得研究社交互动或动物如何在栖息地中移动等自然行为变得十分困难。虽然存在一些无线设备，但它们往往迫使研究人员在电池续航能力与在实验运行期间更改电脉冲设置的能力之间做出选择。
华盛顿大学医学院的一个研究小组开发了一种名为 FLEX-DBS 的新设备来解决这个问题。这是一个安装在小鼠头部的微型电池驱动刺激器，允许动物完全自由地活动。与那些要求在植入前就固定好参数的旧款无线模型不同，该设备允许科学家在小鼠处于笼中时，通过智能手机应用程序调整大脑刺激的强度、速度和频率。该设备通过植入在头部两侧大脑中的电极发送电信号，使用一种即使在脑组织发生变化时也能保持稳定的恒定电流。研究人员发现，该设备在单对微型电池的作用下可以可靠工作约三天，这对于许多实验来说已经足够长，同时也足够短，以便在不伤害动物的情况下轻松更换电池。
这项发明的核心是一个巧妙的电子电路，它能产生稳定的电流，无论脑组织提供多少阻力。在许多旧系统中，如果与大脑的连接变得困难，电流就会下降，导致治疗不一致。新设备维持着精确的电流，但研究人员发现，大脑本身设定了信号强度的极限。当他们在活体小鼠体内测量电极的电阻长达八周时，发现电阻变化很大，有时会变得过高，导致设备无法推送强信号。这意味着，虽然该设备在理论上可以发送非常强的信号，但实际传递给大脑的强度取决于电极和周围组织的状况。研究人员表明，对于他们特定的电极，该设备可以可靠地在符合行为研究需求的范围内传递信号，但并不能在每只动物身上都达到其最大理论功率。
为了证明该设备按预期工作，团队在电极植入涉及疼痛和情绪的大脑区域的小鼠身上进行了测试。他们开启高强度刺激，并在一个开放区域观察小鼠。在刺激过程中，小鼠变得明显更加静止，其静止时间占总时间的 76% 左右，而在开启设备前，这一比例不到一半。这种冻结行为表明，该设备成功向大脑传递了强烈的电信号。然而，研究人员谨慎地指出，由于缺乏接受伪治疗（安慰剂）的对照组，他们无法确定这种静止完全是由电流引起的，还是仅仅因为动物随着时间的推移适应了测试室。尽管存在这一局限性，实验仍证实了该设备可以为自由活动的动物提供强力的刺激。
这个新系统代表了实验设计方式的一种转变。以前的无线设备旨在单次充电后持续数周或数月，但一旦实验开始就无法更改。这款新设备牺牲了那种极长的电池寿命，以换取实时更改设置的能力。因为它需要让电子元件保持唤醒状态并随时准备接收来自手机的指令，所以耗电量更高，但这种权衡让科学家能够针对每只动物对治疗进行精细调整。该设备重量不足四克，对于小鼠来说足够轻便，不会造成负担，并且使用标准的、廉价的电池，可以通过短暂拆卸单元来进行更换。通过将无线自由度与即时调整刺激的能力相结合，这一工具为研究大脑刺激如何影响行为、社交互动以及长期大脑变化提供了更具自然性的研究途径。
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