DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-67723-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41495062
تاريخ النشر: 2026-01-06
المؤلف: Zhidong Wei وآخرون
الموضوع الرئيسي: علوم الأعصاب والهندسة العصبية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة سونوكاباسيتر (SonoCap) بتصميم معماري ليفي طوبولوجي جديد مصمم للتحفيز الكهربائي المتصل بالسعة، والذي يعدل النشاط العصبي من خلال الشحن العكسي دون تفاعلات نقل الشحنة. توفر هذه الطريقة نهجًا واعدًا وآمنًا للتعديل العصبي، على الرغم من وجود تحديات في تحقيق حقن كثافة شحن سعة عالية وبدون أسلاك. تم بناء سونوكاب من كرة نانوية مركبة من مادة بزموت كهربائي وديالكتيك (UCapT) وسليلوز ثنائي الأبعاد، وتتميز بهيكل فريد من نوعه يتكون من قلب تجويف فارغ وقفص ديالكتيكي يعزز اقتران تحفيز الموجات فوق الصوتية لنقل كفاءة الإلكترون والسعة.
تظهر سونوكاب كثافة شحن سعة تصل إلى 9.7 مللي كولوم لكل سنتيمتر مربع تحت تحفيز الموجات فوق الصوتية بقوة 0.63 واط لكل سنتيمتر مربع، بينما تنتج شحنة فارادايك الحد الأدنى من 2 نانو كولوم لكل سنتيمتر مربع. إنها تعدل بفعالية ديناميات الدوائر العصبية في أدمغة الجرذان والخنازير من خلال التحفيز عبر الجمجمة والجلد، متجنبة إدخال أجسام غريبة داخل الدماغ والحفاظ على توازن البطين. علاوة على ذلك، من خلال دمج نظام تشخيصي مغلق يعتمد على التعلم العميق، تتيح سونوكاب تحفيز كهربائي سعة غير متصل عند الطلب لعلاج الصرع في الفص الصدغي. من المتوقع أن يلهم هذا التصميم المبتكر مزيدًا من التقدم في المحفزات السعوية الوظيفية، مما يعزز تطبيق التعديل العصبي الكهربائي السعوي.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية التقدم في تقنيات تحفيز الدماغ الإلكتروني، مع التركيز بشكل خاص على الطرق اللاسلكية التي تستخدم التحويلات المغناطيسية الكهربائية، والموجات فوق الصوتية (US)-الكهربائية، والتحويلات الضوئية. تهدف هذه التقنيات إلى توفير تحفيز منخفض الغزو العصبي وفعال لعلاج الاضطرابات العصبية وتعزيز واجهات الدماغ-الكمبيوتر. ومع ذلك، تعتمد الطرق الحالية بشكل أساسي على عمليات الأكسدة والاختزال عند واجهة القطب الكهربائي-الإلكتروليت، مما يمكن أن يؤدي إلى تراكم المنتجات الكهروكيميائية، مما يعطل توازن الإلكتروليت وقد يتسبب في خلل عصبي.
لمعالجة هذه التحديات، يقترح المؤلفون جهاز تحفيز سعوي لاسلكي جديد يسمى سونوكاباسيتر (SonoCap). يستخدم هذا الجهاز هيكلًا مركبًا من مادة بزموت كهربائي وديالكتيك مصمم لتعزيز تخزين الشحن وتقليل إعادة تركيب الشحنات بشكل مبكر. تحقق سونوكاب كثافة شحن سعة عالية تصل إلى 9.7 مللي كولوم لكل سنتيمتر مربع تحت تحفيز الموجات فوق الصوتية، مما يتيح تحفيز كهربائي فعال عبر الجمجمة والجلد. كما يتم تسليط الضوء على دمج نظام مغلق يعتمد على التعلم العميق للعلاج التحفيزي عند الطلب، مما يظهر إمكانيته في علاج حالات مثل الصرع في الفص الصدغي وتعديل ديناميات دوائر الدماغ في نماذج الجرذان والخنازير.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تتضمن تحضير UCapT عملية تخليق متعددة الخطوات تبدأ بتغطية جزيئات نانو تيتانات الباريوم بطبقة رقيقة من السيليكا باستخدام طريقة الجل-الصلب. في البداية، يتم تحضير محلول ميتاسيليكات الصوديوم وضبط درجة الحموضة إلى 10. ثم يتم توزيع جزيئات تيتانات الباريوم في هذا المحلول وتحريكها عند 85 درجة مئوية لمدة 12 ساعة، مما يؤدي إلى تكوين غلاف سيليكا حول الجزيئات النانوية. بعد ذلك، يتم إنشاء غلاف سيليكا خارجي أكثر سمكًا عبر طريقة ستوبر، حيث يتم تسخين مزيج من الإيثانول اللامائي والماء المنزوع الأيونات وهيدروكسيد الأمونيوم، ويتم إضافة مركب تيتانات الباريوم @ سيليكا مع رباعي إيثيل أورثوسيليكات. بعد 4.5 ساعات من التخليق، يتم فصل الجزيئات النانوية وغسلها وتحضيرها لمزيد من المعالجة.
تتضمن المرحلة التالية تشكيل تيتانات الباريوم @ سيليكون عضوي مسامي. يتم خلط تشتت المركب مع بروميد هكساديسيل تريميثيل الأمونيوم والأمونيا، تليها إضافة 1،2-ثنائي (ثلاثي إيثوكسي سيلان) إيثان، ويتم تحريك المزيج عند 50 درجة مئوية لمدة 5 ساعات. بعد هذه التفاعل، يتم توزيع الجزيئات المركبة بالموجات فوق الصوتية في الماء المنزوع الأيونات وتحريكها عند 45 درجة مئوية قبل إضافة رباعي إيثيل أورثوسيليكات لمدة ساعة إضافية لإنهاء تخليق UCapT. يبرز هذا النهج المنهجي الخطوات المعقدة المطلوبة لتحقيق المادة المركبة المطلوبة بخصائص محددة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الإجراءات التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى أن الفرضية الرئيسية كانت مدعومة، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن علاقة قوية بين المتغيرات قيد التحقيق. على وجه التحديد، تظهر النتائج أن التدخل أدى إلى تحسين قابل للقياس في المتغير التابع، تم قياسه بقيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى الأهمية الإحصائية.
بالإضافة إلى ذلك، يتضمن القسم تمثيلات رسومية للبيانات، والتي توضح الاتجاهات والأنماط التي تعزز الاستنتاجات المستخلصة. تشير النتائج إلى أن النموذج المقترح يتنبأ بفعالية بالنتائج، مع قيمة R-squared تبلغ 0.85، مما يشير إلى مستوى عالٍ من القوة التفسيرية. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة في هذا المجال، مما يشير إلى تطبيقات محتملة واتجاهات للبحث المستقبلي.
المناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة تصميم وتخليق وتوصيف مادة نانوية جديدة من البزموت الكهربائي، والتي تُعرف باسم UCapT، والتي تسهل نقل السعة بواسطة الموجات فوق الصوتية (US). تتكون UCapT من قلب بزموت كهربائي مصنوع من تيتانات الباريوم، وتجويف فارغ لتبادل الشحن، وقفص ديالكتيكي يتكون من مركب سيليكا عضوي مسامي وسيليكا. يولد القلب البزموت الكهربائي لحظة ثنائية القطب تحت تحفيز الموجات فوق الصوتية، مما يؤدي إلى فصل الشحن وزيادة إعادة توزيع الشحن من خلال القفص الديالكتيكي. الهيكل الفريد لـ UCapT، وخاصة طبقة السيليكا العضوية المسامية، يحبس الشحنات بفعالية ويطيل من عمر الناقلات، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في سعة تخزين الشحن وكثافة نقل الشحن – حيث تحقق 5.9 × 10⁻⁹ كولوم لكل سنتيمتر مربع تحت ظروف معينة من الموجات فوق الصوتية، وهو ما يزيد بمقدار 4.2 مرة عن تجميع التحكم الذي يفتقر إلى الطبقة المسامية.
إن دمج UCapT في إطار سليلوز ثنائي الأبعاد لتشكيل سونوكاب يعزز كثافة حقن الشحن وخصائصه الميكانيكية، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات الطبية الحيوية. تظهر سونوكاب مساحة سطح محددة عالية تبلغ 3392 م² لكل غرام، مما يحسن بشكل كبير من المواقع القابلة للوصول للأيونات لتشكيل السعة ذات الطبقتين. تحت تحفيز الموجات فوق الصوتية، تظهر سونوكاب كثافة حقن شحن تبلغ 3.71 مللي كولوم لكل سنتيمتر مربع، متفوقة على الأقطاب الكهربائية السعوية التقليدية. من المهم أن تحفيز سونوكاب الكهربائي لا يحفز التحليل الكهربائي للماء، مما يضمن السلامة للتطبيقات الحية. يتم التحقق من فعالية سونوكاب بشكل أكبر من خلال تطبيقه في التحفيز الكهربائي عبر الجلد، حيث يعدل ديناميات الدوائر المخيخية-المخية، مما يظهر إمكانيته للتدخلات العلاجية في الاضطرابات العصبية مثل الصرع في الفص الصدغي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-67723-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41495062
Publication Date: 2026-01-06
Author(s): Zhidong Wei et al.
Primary Topic: Neuroscience and Neural Engineering
Overview
The research presents a novel topological fibrous-architecture sonocapacitor (SonoCap) designed for capacitively coupled electrical stimulation, which modulates neuronal activity through reversible charging without charge transfer reactions. This method offers a promising and safe neuromodulation approach, although challenges remain in achieving wireless and high capacitive charge density injection. The SonoCap is constructed from a piezoelectric-dielectric composite nanosphere (UCapT) and two-dimensional cellulose, featuring a unique core-hollow cavity-dielectric cage structure that enhances ultrasound excitation coupling for efficient piezoelectric electron-capacitance transfer.
The SonoCap demonstrates a capacitive charge density output of up to 9.7 mC cm$^{-2}$ under 0.63 W cm$^{-2}$ ultrasound excitation, while producing a minimal Faradaic charge of 2 nC cm$^{-2}$. It effectively modulates neural circuit dynamics in rat and pig brains through transcranial and epidural stimulation, avoiding the introduction of intracerebral foreign bodies and preserving ventricular homeostasis. Furthermore, by integrating a deep learning-based closed-loop diagnostic system, the SonoCap enables on-demand, wireless, and epidural capacitive electrical stimulation for treating temporal lobe epilepsy. This innovative design is anticipated to inspire further advancements in functional capacitive stimulators, thereby enhancing the application of capacitive electrical neuromodulation.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the advancements in electronic brain stimulation techniques, particularly focusing on wireless methods that utilize magnetoelectric, ultrasound (US)-electrical, and photoelectric conversions. These technologies aim to provide low-neuroinvasive and efficient stimulation for treating neurological disorders and enhancing brain-computer interfaces. However, current methods primarily depend on redox processes at the electrode-electrolyte interface, which can lead to the accumulation of electrochemical products, disrupting electrolyte homeostasis and potentially causing neuronal dysfunction.
To address these challenges, the authors propose a novel wireless capacitive stimulation device called the topological fibrous-architecture sonocapacitor (SonoCap). This device utilizes a piezoelectric-dielectric composite structure designed to enhance charge storage and minimize premature recombination of charge carriers. The SonoCap achieves a high capacitive charge density of up to 9.7 mC cm$^{-2}$ under US excitation, enabling effective transcranial and epidural electrical stimulation. The integration of a deep learning-based closed-loop system for on-demand stimulation therapy is also highlighted, demonstrating its potential for treating conditions like temporal lobe epilepsy and modulating brain circuit dynamics in both rat and porcine models.
Methods
In this study, the preparation of UCapT involves a multi-step synthesis process starting with the coating of barium titanate nanoparticles with a thin layer of silica using the sol-gel method. Initially, a sodium metasilicate solution is prepared and its pH is adjusted to 10. Barium titanate particles are then dispersed in this solution and stirred at 85°C for 12 hours, resulting in the formation of a silica shell on the nanoparticles. Following this, a thicker outer silica shell is created via the Stöber method, where a mixture of anhydrous ethanol, deionized water, and ammonium hydroxide is heated, and the barium titanate @ silica composite is added along with tetraethyl orthosilicate. After 4.5 hours of synthesis, the nanoparticles are separated, washed, and prepared for further processing.
The next phase involves the formation of barium titanate @ mesoporous organosilicons. A dispersion of the composite is mixed with hexadecyltrimethylammonium bromide and ammonia, followed by the addition of 1,2-bis(triethoxysilyl)ethane, and the mixture is stirred at 50°C for 5 hours. After this reaction, the composite particles are ultrasonically dispersed in deionized water and stirred at 45°C before adding tetraethyl orthosilicate for an additional hour to finalize the synthesis of UCapT. This methodical approach highlights the intricate steps required to achieve the desired composite material with specific properties.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical procedures employed. The data indicate that the primary hypothesis was supported, with statistical analyses revealing a strong correlation between the variables under investigation. Specifically, the results demonstrate that the intervention led to a measurable improvement in the dependent variable, quantified by a p-value of less than 0.05, indicating statistical significance.
Additionally, the section includes graphical representations of the data, which illustrate trends and patterns that reinforce the conclusions drawn. The findings suggest that the proposed model effectively predicts the outcomes, with an R-squared value of 0.85, indicating a high level of explanatory power. Overall, the results contribute valuable insights into the field, suggesting potential applications and directions for future research.
Discussion
In this section, the research discusses the design, synthesis, and characterization of a novel piezoelectric nanomaterial, termed UCapT, which facilitates ultrasound (US)-mediated capacitance transfer. UCapT consists of a piezoelectric core made of barium titanate, a hollow cavity for charge exchange, and a dielectric cage composed of a mesoporous organosilica and silica composite. The piezoelectric core generates a dipole moment under US excitation, leading to charge separation and enhanced charge redistribution through the dielectric cage. The unique structure of UCapT, particularly the mesoporous organosilica layer, effectively traps charges and prolongs carrier lifetimes, resulting in a significant increase in charge storage capacity and transfer charge density—achieving 5.9 × 10⁻⁹ C cm⁻² under specific US conditions, which is 4.2 times greater than a control assembly lacking the mesoporous layer.
The integration of UCapT into a two-dimensional cellulose framework to form SonoCap enhances its charge injection density and mechanical properties, making it suitable for biomedical applications. SonoCap exhibits a high specific surface area of 3392 m² g⁻¹, significantly improving ion-accessible sites for double-layer capacitance formation. Under US excitation, SonoCap demonstrates a charge injection density of 3.71 mC cm⁻², outperforming traditional capacitive electrodes. Importantly, SonoCap’s electrical stimulation does not induce water electrolysis, ensuring safety for in vivo applications. The efficacy of SonoCap is further validated through its application in epidural electrical stimulation, where it modulates cerebellar-cerebral circuit dynamics, demonstrating potential for therapeutic interventions in neurological disorders such as temporal lobe epilepsy.