磁性纳米介质磁热声多场耦合神经调控方法及装置

本发明属于神经调控，具体涉及磁性纳米介质磁热声多场耦合神经调控方法及装置。

背景技术：

1、伴随着脑科学和认知科学的兴起与发展，以人类为中心的认知与智能活动研究，已进入发展新阶段。神经系统控制着人体的总体健康和身体能力，对神经系统效能的增强可提高学习效率、减少疲劳、提高警觉性、感知力和决策力。由于全球范围内的人口增长以及老龄化问题的加剧，神经系统疾病已成为导致全球人类残疾和死亡的重要原因之一。通过调节神经元，进行情绪、动机性、认知识别的调节，是神经调控技术的重要方向，如何深入开展对神经系统的精准调控，这对神经增强和治疗具有巨大理论价值和现实意义。

2、传统的深部脑刺激是通过植入永久电极来实现，其是有损侵入式技术。第二代神经调节技术依赖于声、电磁感应等激励技术，为神经系统调控提供了新途径，取得了一系列的研究成果，在临床应用中具有更广阔的前景。现阶段常用的非侵入脑部刺激方法有：经颅直流电刺激、经颅磁刺激、经颅聚焦超声刺激等。

3、上述方法在非侵入式脑部刺激领域中都有着重要的突破，但由于组织吸收和分散作用，仍然存在空间分辨率、穿透深度、靶向能力不足的限制，如何实现脑深部刺激的特异性靶向性、解决神经电磁调控刺激精度低、神经活化效能不足的难题，意义重大。

4、随着各种类型靶向纳米制剂的开发和应用，纳米颗粒材料的生物学应用研究成为纳米生物学和纳米医学领域的前沿热点。随着脑科学、纳米技术等交叉融合，具备神经活性的纳米颗粒应用于脑神经调控研究，已被证明在人体机能增强和神经疾病调控等领域具有重要的实用意义。目前见报道的纳米颗粒神经调控技术，均为单一场激励纳米颗粒产生生物效应的技术，在刺激效率、精准调控方面仍存在明显不足。本发明提出磁性纳米介质磁热声多场耦合神经调控方法，通过电磁、热、力、超声耦合物理效应，其不仅仅是多种物理效应的简单叠加，磁性纳米介质磁热声多场耦合神经调控方法是一种非侵入、靶向神经刺激技术，通过外加激励，利用生物靶点的电磁纳米颗粒产生的磁、热、力、声等物理效应，引发膜去极化、诱发神经元的钙离子内流等生物学效应，调节细胞内钙信号传导影响突触可塑性和控制神经行为，进而实现对脑区神经元亚群兴奋性的精准可控调节。实现情绪、认知、思维和推理能力的调节，促成人体体能、智能和心里素质超常发挥，达到神经增强和治疗、个体机能和能力增强的效果。

5、利用磁性纳米介质在电磁激励下的多场耦合物理效应及进一步引发的生物效应，可实现神经元的高精度靶向调节，它可以弥补现有单一物理场无创神经刺激在空间分辨率、刺激穿透深度及刺激精度方面的不足，提供微创、非接触式、精准脑神经电磁调控新思路，在疾病治疗和脑功能网络研究中具有巨大的应用前景。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种磁性纳米介质磁热声多场耦合神经调控方法及装置实现神经元的高精度靶向调节，实现脑深部刺激的特异性靶向性、解决神经电磁调控刺激精度低、神经活化效能不足的难题，它可以弥补现有无创神经刺激在空间分辨率、刺激穿透深度及刺激精度方面的不足，提出一种磁性纳米介质磁热声多场耦合神经调控方法及装置，本发明提供了微创、非接触式、活化效能高的精准脑神经电磁调控新思路。

2、本发明方法通过电磁激励磁性纳米介质进而激发热、力、超声、电势信号，通过电磁-温度-力-声的多物理场耦合效应作用于生物靶点，产生生物效应，实现对脑区神经元亚群兴奋性的精准可控调节。利用高效、生物安全磁性纳米介质，多物理场可聚焦、高效电磁场激励技术及设备，实现脑神经功能及相应的神经行为的无损、高精度精准调控，为非接触精准脑神经调控提供新的思路。

3、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

4、一种磁性纳米介质磁热声多场耦合神经调控方法，利用外加激励通过激励线圈产生脉冲磁场，激励位于脑功能区生物靶点的磁性纳米介质，磁场激励作用于磁性纳米介质，引发热膨胀、磁热声或磁力，通过磁热、磁热声及电磁激励引起的超声、磁力及其进一步产生的电势变化，实现神经元的调节；利用生物靶点的电磁纳米介质产生的磁、热、力、声、电耦合物理效应，引发膜去极化、诱发神经元的钙离子内流的生物学效应，调节细胞内钙信号传导从而影响突触可塑性和控制神经行为，进而实现对脑区神经元亚群兴奋性的精准可控调节。

5、进一步地，所述磁性纳米介质为磁性纳米颗粒或是由磁性纳米颗粒制备成的磁性纳米颗粒分子探针，所述磁性纳米颗粒分子探针由磁性纳米颗粒、载体、配体或抗体组成，磁性纳米颗粒包括fe3o4、钴铁-锰铁、球形、多面体的磁性纳米粒子，用于增强电磁场激励目标区域的物理效应，配体或抗体用于与目标区域高表达的受体相结合；磁性纳米介质的磁性纳米颗粒的电磁和声学响应特征、外裹修饰物厚度、浓度特征均对电磁激励磁性纳米介质所产生的物理效应产生影响。

6、进一步地，通过电磁场激励磁性纳米介质，利用磁性纳米介质中的磁性纳米颗粒在电磁场激励作用下的物理效用，包括磁热效应、磁热声效应、磁力效应和进一步引发的电势，进一步产生生物效应，即激活神经元的热敏辣椒素受体trpv1，诱发神经元的钙离子ca2+内流，导致细胞内阳离子浓度升高，引起相应的生理变化；分析不同浓度的磁性纳米介质在外加激励下所产生的耦合物理效应对离子通道门控特征、突触可塑性的作用，建立物理效应与生物效应的关系，通过钙指示剂、膜电位观测，控制钙离子在细胞内外的流动，实现细胞内离子控制；通过物理效应与生物效应关系的建立，结合电磁激励特征，建立磁性纳米颗粒在外加激励下诱发的生物效应与神经调控的关系、进而建立外源激励特征、磁性纳米介质特性参数与神经调控的关系，建立活化神经功能的时空量效关系，形成精准神经调控。

7、本发明还提供实现一种磁性纳米介质磁热声多场耦合神经调控方法的磁性纳米介质磁热声多场耦合神经调控装置，包括多模式电磁激励单元、可聚焦电磁场分布的线圈单元、耦合转换单元和测试单元；多模式电磁激励单元产生交变激励、调制信号交变脉冲激励、一定重复频率的单脉冲激励，多模式电磁激励单元用于为线圈负载提供大功率激励，耦合转换单元实现电磁激励到磁热、磁热声、磁力的转换，测试单元用于测试多模式电磁激励单元、电磁场分布、电磁激励耦合转换产生的物理效应及进一步产生的生物效应，可聚焦电磁场分布的线圈单元用于作为多模式电磁激励单元的负载以及产生不同形态分布的电磁场；所述多模式电磁激励单元的输出端连接耦合转换单元的输入端，耦合转换单元的输出端连接测试单元的输入端；多模式电磁激励单元输出电流激励信号至耦合转换单元，耦合转换单元输出信号至测试单元，多模式电磁激励单元同时输出电流信号给测试单元的输入端，测试单元根据测试的电流参数输出信号至多模式电磁激励单元的输入端，调整多模式电磁激励单元的驱动信号。

8、进一步地，所述的多模式电磁激励单元由驱动信号发生器、功率放大单元、激励线圈匹配模块组成；所述的驱动信号发生器的输出端连接功率放大单元的输入端、功率放大单元的输出端连接激励线圈匹配模块的输入端；驱动信号发生器输出信号至功率放大单元，功率放大单元输出信号至激励线圈匹配模块，通过激励线圈匹配模块，将激励电流施加于激励线圈。

9、进一步地，所述的可聚焦电磁场分布的线圈单元的结构为螺线管线圈、平面式线圈、h型线圈或阵列式线圈，根据不同线圈结构、匝数、直径、线径参数特性调整电磁场分布特征，产生所需要的聚焦电磁场分布。

10、进一步地，所述的耦合转换单元由激励线圈、磁性纳米介质、钙指示剂及头部被调控目标体组成，磁性纳米介质和钙指示剂位于头部被调控目标区域；激励线圈贴近目标区域，当多模式电磁激励单元通过激励线圈激发电磁场，产生磁热、磁热声、磁力信号，进而激发生物效应，引发钙离子内流，导致细胞内阳离子浓度升高，由钙指示剂显示荧光强度的变化。

11、进一步地，所述的测试单元包括激励源工作状态参数采集模块、激励电流检测模块、电磁场测试仪、温度检测模块、磁热声信号检测模块、微磁力检测模块、荧光成像系统和水冷系统；所述的激励源工作状态参数采集模块根据激励电流检测模块测试的电流参数输出信号至多模式电磁激励单元的输入端，调整多模式电磁激励单元的驱动信号，所述的激励电流检测模块用于检测多模式电磁激励单元通过激励线圈产生的电流信号，所述的电磁场测试仪测试激励线圈附近产生的电磁场分布特征，所述的温度检测模块用于检测头部及磁性纳米介质的温度，所述的磁热声信号检测模块用于检测激励线圈激励磁性纳米介质所产生的磁热声信号，所述的微磁力检测模块用于检测激励线圈激励磁性纳米介质所产生磁力信号，所述的荧光成像系统用于观测钙离子内流引发的荧光强度改变情况，水冷系统用于对多模式电磁激励单元及线圈单元进行冷却。

12、有益效果：

13、本发明的磁性纳米介质磁热声多场耦合神经调控方法及装置，并不利用电磁激励所产生的瞬间热膨胀激发的声波来对介质的电性参数进行反演，即并不是忽略热传导情况下利用瞬间热膨胀到声信号的转换进行反演。本发明所激发的磁热、磁热声及磁力物理效应，直接作用于生物目标区域，即要利用磁热和热传导性能，直接用于对目标区域激发生物效应，其原理不同于磁热声成像方法，由于原理不同、所产生的物理作用不同，为产生较好的生物效应，所采用的激励模式和特征不同：对于具有较高重复频率(400khz～550khz)交变激励和调制信号交变脉冲激励方式，更有利于磁热效应的控制；对于具有一定重复频率的单脉冲激励，更有利于磁力效应的控制；上述激励方式均有利于磁热声效应的控制。

14、本发明的磁性纳米介质磁热声多场耦合神经调控方法及装置，利用磁性纳米介质在电磁激励下的物理效应作用于生物靶点，可实现神经元的高精度靶向调节，它可以弥补现有单一物理场无创神经刺激在空间分辨率、刺激穿透深度及刺激精度方面的不足，提供微创、非接触式、精准脑神经电磁调控新思路，在疾病治疗和脑功能网络研究中具有巨大的应用前景。