Nature Communications | 可穿戴神经贴片，实现超声深部脑刺激与实时电生理监测，进入睡眠快42分钟，时长增加16分钟

一项发表于《自然·通讯》的研究，展示了一款名为NEUSLeep的皮肤贴附式生物电子贴片，由德克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）主导的研究团队完成。它通过柔性超声阵列精准靶向丘脑底核，在一项涉及28名受试者的临床研究中，将REM睡眠时长平均提升4.6%、潜伏期缩短24%，并首次实现了在自然睡眠状态下对深脑进行非侵入性调控与同步电生理监测。这项技术为神经精神疾病的闭环神经调控治疗开辟了新路径。

1. 无创深脑调控的“最后一公里”

睡眠，这一占据人类生命三分之一时间的生理过程，其重要性早已超越“休息”的范畴。它对于记忆巩固、情绪调节、代谢物清除乃至神经可塑性都至关重要。然而，在现代社会，睡眠障碍已成为一个波及全球近15%成年人的公共卫生问题。更令人担忧的是，睡眠紊乱与抑郁症、焦虑症、创伤后应激障碍等精神疾病互为因果，形成恶性循环。

神经科学的研究已经揭示，睡眠各阶段的转换，尤其是与情绪调节密切相关的快速眼动睡眠，深度依赖于皮层下结构的协同活动，其中就包括丘脑底核（STN）、桥脚核（PPN）等深部脑区。如果能够精准地调控这些“睡眠开关”，无疑将为治疗睡眠障碍及关联精神疾病提供革命性手段。

然而，横亘在科学家面前的是一条充满妥协的技术路线图。

一方面，以深脑刺激（DBS）为代表的侵入性疗法，虽然能够通过植入电极精确靶向STN等核团并有效改善睡眠，但其高昂的成本、开颅手术的风险以及长期植入带来的感染、电极移位等并发症，使其应用范围严重受限，无法作为一种普适性的研究或治疗工具。

另一方面，经颅磁刺激（TMS）、经颅电刺激（tDCS）等非侵入性手段，虽然安全性高，但受限于物理法则，其电场或磁场在穿过颅骨时会发生显著扩散，空间分辨率差，几乎无法有效、聚焦地作用于深部脑区，其效果往往局限于皮层区域。近年来兴起的经颅聚焦超声（tFUS）技术，理论上提供了毫米级精度的深脑无创调控可能，但现有的tFUS设备体积庞大、刚性结构无法与皮肤共形贴合，更不用说在整夜的睡眠过程中保持稳定的声学耦合与电生理监测。这无疑是阻碍该技术从实验室走向临床应用的核心瓶颈。

2. NEUSLeep：重新定义可穿戴神经接口

NEUSLeep系统的核心创新在于，它并非简单地将现有组件微型化，而是从材料科学、声学工程和电子封装层面进行了一体化重构，解决了柔性可穿戴与高性能深脑调控之间的矛盾。

Figure 1. NEUSLeep系统概述

1. 材料基底的革命：让设备“长”在皮肤上

为了实现与皮肤长达8小时以上的稳定、舒适贴合，研究者开发了一种名为Eco-PEIE-Gel的仿生粘附弹性体。它通过在柔软的商业Ecoflex-Gel基底中混入聚乙烯亚胺乙氧基化物（PEIE），引入了丰富的胺基（-NH₂）、羟基（-OH）等极性基团。

这种设计带来的不仅仅是物理上的贴合。其粘附机理利用了氢键、静电相互作用等多重非共价键力与角质层结合，同时表面的微孔结构还提供了微小的机械互锁效应，共同实现了高达0.749 N/cm的皮肤粘附强度，是纯Ecoflex-Gel的20倍。更重要的是，其极低的杨氏模量（~18 kPa）确保了在面部等曲率较大部位的运动顺应性，这是刚性设备无法比拟的。

2.信号获取的升级：更“干净”的脑电

在电生理记录端，研究者摒弃了传统含导电聚合物的凝胶，开发了基于2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）的纯离子导电水凝胶（ASG）。不含PEDOT:PSS等固态导电成分的设计，不仅消除了头皮残留物对设备的污染风险，更利用人体汗液中的盐分作为离子载体，实现了极低的电极-皮肤界面阻抗。其记录的脑电信号质量，经盲法睡眠分期专家验证，与临床标准的32导联湿电极脑电帽达到了高度一致（Cohen’s Kappa > 0.8）。

3. 超声调控的聚焦：可调焦的“声学透镜”

NEUSLeep的“心脏”是一个定制的同心环超声换能器阵列（CRUTA）。它由8个独立驱动的压电陶瓷环组成，通过精确控制各环的驱动相位延迟，可以在不移动机械部件的情况下，实现声束焦点在轴向上的电子调焦（范围覆盖32.5至70.5 mm）。这使得设备能够根据不同个体的解剖结构，将超声能量精准地聚焦于皮下72.2 mm左右的丘脑底核。整个换能器厚度仅3.1 mm，重量小于103.4克，相比传统笨重的超声刺激平台实现了质的飞跃，并完美融入了贴片式设计。

Note

“该平台能够在自然睡眠中实现刺激传递，与睡眠分期同步，并可在一夜之间重复进行。” —— 论文原文

3. 临床实证：从神经环路到睡眠行为

本研究通过严谨的人体实验，从神经影像学到睡眠行为学，全面验证了NEUSLeep的有效性。

1. 靶点确认：超声如何“对话”深部脑区

研究首先通过功能磁共振成像（fMRI）验证了STN-FUS对目标及下游脑区的影响。在16名健康受试者中，单次10分钟的STN-FUS（100 Hz脉冲重复频率）刺激后，目标左侧STN的静息态血氧水平依赖信号变异性（rsBOLDsd）显著增加，表明该区域神经活动的代谢需求发生了改变。更重要的是，伪连续动脉自旋标记（pCASL）灌注成像显示，左侧伏隔核（NAc）的脑血流量（CBF）显著增加，这提示STN的抑制（通过100 Hz高频刺激实现）可能解除了对下游伏隔核的抑制，从而影响了与睡眠调节密切相关的奖赏和情绪环路。

同时，以STN为种子点的静息态功能连接（rsFC）分析显示，刺激后同侧苍白球（GPe/GPi）和壳核与STN的正向连接增强，这与已知的STN-DBS诱发的网络效应一致，证明了即使在非侵入性条件下，聚焦超声也能够有效“进入”并调节基底节-皮层-丘脑这个核心环路。

2. 睡眠重塑：REM睡眠的显著增强

这是本项研究最令人振奋的临床发现。在为期两晚的睡眠研究中（首晚假刺激对照，次晚施加真实FUS），NEUSLeep在26名有效受试者（包括健康与失眠人群）中展现了显著的REM睡眠调节能力：

• • REM时长增加：平均REM睡眠占总睡眠时长比例从16.3%提升至20.9%，绝对值增加了4.6个百分点，相当于平均延长了15.9分钟。
• • REM潜伏期缩短：从入睡到进入第一个REM周期的时间，从平均177分钟显著缩短至135分钟，减少了42分钟。
• • 组间差异：值得注意的是，健康组和失眠组均表现出REM时长的显著增加，但失眠组的REM潜伏期改善未达到统计学显著性，这可能暗示了失眠群体神经环路的复杂性或对干预的敏感性差异。

这些改善并非以牺牲其他睡眠阶段为代价。研究数据显示，总睡眠时间、睡眠效率、觉醒次数以及非快速眼动睡眠各分期（N1, N2, N3）均未发生显著变化。这意味着NEUSLeep提供了一种高度特异性的REM睡眠调节手段。

3. 压力响应的调节：从情绪到生理

研究进一步探索了STN-FUS对次日压力应对的影响。在情绪面孔匹配任务中，健康组在STN-FUS后的早晨，面对愤怒和恐惧面孔时的反应时间显著缩短，且左侧黑质致密部/网状部（SNc/SNr）对情绪刺激的BOLD响应减弱。这表明，通过调节基底节环路，STN-FUS可能优化了情绪信息处理的效率。同时，心率变异性（HRV）作为衡量自主神经系统灵活性的指标，在健康组中也显示出FUS后压力恢复能力的提升。

Note

“在健康组中，STN-FUS后的早晨，心率变异性（HRV）较假刺激组显著增加（41.5% vs. -5.89%），表明其可能提升了自主神经系统的灵活性与压力恢复能力。” —— 数据源于论文Fig. 6d

Figure 6. NEUSLeep启用的STN-FUS在Hariri任务中的压力适应与响应。

4. 从实验室走向临床的范式转移

NEUSLeep的成功，其意义远不止于一种新的睡眠改善设备。它代表了一种 “可穿戴闭环神经调控” 范式的确立。

• • 对睡眠医学而言：它为研究REM睡眠的神经机制提供了一把“钥匙”。首次实现在自然睡眠环境中，对深部脑区进行非侵入性的、因果性的操控，这将极大地加速我们对睡眠障碍病理生理学的理解。
• • 对精神疾病治疗而言：由于情绪、动机、奖赏等高级功能都与基底节-边缘系统环路密切相关，NEUSLeep所验证的平台技术，其潜力远不止于睡眠。它可能为抑郁症、焦虑症、成瘾等疾病的个性化、即时性干预提供新思路。
• • 对神经调控技术而言：它证明了“软体化”、“贴合化”、“可穿戴化”是脑机接口技术发展的确定性方向。将笨重的实验室设备转化为一件“智能创可贴”，将极大地拓展神经调控技术在真实世界、真实场景中的应用边界。

结尾：跨越临界点的前夜

NEUSLeep的诞生，让我们看到了一个激动人心的未来：在舒适的家中，失眠患者或许只需在睡前贴上一片“智能贴片”，它就能在夜间自动监测脑电，精准识别REM睡眠期，并适时地发射出一束微弱的、无感的超声波，温和地调节深脑的节律，从而改善睡眠质量和日间的情绪状态。

然而，从一项激动人心的学术突破，到一个改变临床实践的医疗产品，仍需跨越数个关键障碍。我们必须以冷静的视角审视其前方的道路。

首要挑战：验证效应的稳健性与普适性。 本研究的样本量（共28人）虽能支撑统计结论，但相对较小。更重要的是，研究采用了固定顺序（先假刺激后FUS）的开放标签设计，非双盲、无交叉。这不可避免地引入了潜在的顺序效应和预期偏差。未来必须进行大规模、多中心、随机双盲、假刺激对照的临床试验，以无可辩驳的证据证实其疗效并非源于安慰剂效应或自然波动。

其次，深入探索机制的可解释性。 虽然研究者推测100 Hz超声通过抑制STN发挥作用，但超声与神经元相互作用的生物物理学机制，尤其是不同参数（频率、强度、占空比）如何“编码”兴奋或抑制，仍是一个黑箱。此外，本研究中轴向焦点尺寸较大（18.6 mm），能否在如此大的体积内实现真正的STN“特异性”调控，还是同时影响了邻近的未定带、黑质等结构，需要更高分辨率的神经记录来回答。

最后，向临床转化需解决的系统工程难题。 如何将目前还需外部线缆连接电源和主控电脑的系统，真正集成为一个独立的、可充电的、无线控制的小型化设备？如何确保长期佩戴下的材料生物安全性和超声刺激的安全性（尽管目前参数远低于FDA安全上限）？如何将成本控制在可及范围内，以便被医保系统接纳？这些都是决定NEUSLeep最终是成为实验室的精致玩具，还是走进千家万户的健康伴侣的关键。

尽管前路挑战重重，但NEUSLeep无疑为无创深部脑调控领域树立了一个里程碑。它成功地将材料的柔性、记录的高保真性、调控的精准性融合在一个可穿戴平台上，证明了在不打开颅骨、不束缚肢体的自然状态下，我们已具备了与深部大脑对话的能力。这为未来开发新一代的智能、闭环、数字疗法提供了坚实的理论和工程基础，其潜力令人充满期待。

参考资料

Tang, K.W.K., Baird, B., Moscoso-Barrera, W.D. et al. Skin-attached bioadhesive patch enabling ultrasound deep brain stimulation and real-time electrophysiological monitoring for REM sleep enhancement. Nat Commun 17, 5570 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-73787-6