基于神经元动作电位调控的皮秒脉冲电场无创聚焦治疗癫痫技术的基础研究

Picosecond pulsed electric fields(psPEF) have been emerged as a new technology in non-invasive focusing of deep brain tissues for epilepsy treatment with its unique ultra-wideband and bioelectric effects.Neuronal action potential targeted by psPEF for epilepsy treatment was firstly proposed in this project，in which mechanisms of neuronal action potential targeted by psPEF for epilepsy treatment, propagation rules of psPEF in normal and pathological brain tissues, non-invasive focusing mechanisms of Ultra-wideband impulse radiationg antenna(UIRA) and dielectric lens,efficacy and safety of non-invasive focusing in epilepsy treatment with psPEF, will be fully studied; basic principles of neuronal action potential targeted by nsPEF for epilepsy treatment will be indicated; propagation rules of psPEF in deep brain tissues will be establised; experimental prototype of non-invasive focusing with UIRA and dielectric lens will be developed; efficacy and safety experiments of non-invasive focusing in epilepsy treatment with psPEF will be studied.The distinguished feature of this project is to eatablish the principles and methods of non-invasive focusing in epilepsy treatment with psPEF,which will lay solid theoretical and experimental evidences for new medical equipment with proprietary intellectual property rights.This project is of great academic values and strategic importance.

皮秒脉冲以其独特的超宽带特性和生物电磁效应在深部脑组织无创聚焦治疗癫痫中展示出良好的发展前景。本项目紧密围绕皮秒脉冲靶向调控神经元动作电位治疗癫痫的创新思路，对涉及皮秒脉冲靶向调控神经元动作电位治疗癫痫的作用机理、皮秒脉冲在大脑正常及病变组织中的传播规律、超宽带冲激脉冲辐射天线耦合介质透镜实现无创聚焦的机制、皮秒脉冲深部脑组织无创聚焦治疗癫痫的有效性及安全性等关键基础科学问题进行深入研究。揭示皮秒脉冲靶向调控神经元动作电位治疗癫痫的基本原理；建立皮秒脉冲在深部脑组织中的传播机制；研制出超宽带冲激脉冲辐射天线耦合介质透镜实现深部脑组织无创聚焦的系统样机；开展皮秒脉冲无创聚焦治疗癫痫的有效性及安全性实验研究。本项目的特点是创立皮秒脉冲无创聚焦治疗癫痫的原理和方法，为最终成功开发拥有完全自主知识产权的新型医疗治疗设备提供坚实理论和实验依据，具有重要的学术价值和良好的临床应用前景。

癫痫现已成为神经科仅次于头痛的第二大常见病，严重危害着人类的生命健康，愈发成为患者本人、家人及社会的沉重负担。目前，该类疾病的主要治疗手段仍停留在药物治疗和手术切除病灶上，存在较大的副作用与局限性，而皮秒脉冲以其独特的超宽带特性和生物电磁效应在深部脑组织无创聚焦治疗癫痫中展示出良好的发展前景。因此，本项目紧密围绕皮秒脉冲靶向调控神经元动作电位治疗癫痫的创新思路，率先设计并研制出高频固态皮秒脉冲发生器以及相应的实验电极；建立大脑有限元模型，探索皮秒脉冲在大脑正常及病变组织中的传播规律；引入耦合介质透镜，研究超宽带冲激脉冲通过“天线+透镜”实现深部脑组织中的无创聚焦机制；构建正常神经元3D模型和癫痫神经元3D模型，并就皮秒脉冲电场对癫痫病变抑制效果进行仿真分析；开展动物实验及部分细胞实验研究，对皮秒脉冲电场调控神经元spike发放的作用机理进行探索。本项目所研制的皮秒脉冲发生器可输出脉冲最大峰值电压1200 V，半高宽550 ps，脉冲上升时间150 ps，各参数满足基本实验要求；仿真研究表明超宽带天线耦合介质透镜能够初步实现在深部脑组织中的聚焦；基于所构建的神经元模型，研究发现高频皮秒脉冲电压刺激对癫痫发放的抑制效果更好。除此之外，初步的动物实验表明当皮秒脉冲频率较低时，大鼠运动皮层神经元动作电位spike发放率增加；当皮秒脉冲频率升高时，运动皮层spike发放开始得到抑制；皮秒脉冲刺激时间较短~10 s，幅值较低~100 V，或者频率过低~10 Hz时，刺激无效果。项目的开展为癫痫等神经性疾病的治疗提供了一种全新的策略，为最终成功开发拥有完全自主知识产权的新型医疗设备提供一定的理论和实验依据。