[发明专利]调制脑中脑功能区的神经元放电频率的方法和装置

说明书

本申请提供了一种调制脑中的脑功能区的神经元放电频率的方法和装置，该方法包括：产生电磁场，其中其功率以预设调制频率变化(S101)；以及将所产生的电磁场布置在脑附近，使得脑功能区在电磁场的近场范围内，从而利用电磁场的功率使脑功能区的细胞外液极化，使得细胞外液的极化密度以预设调制频率变化并且细胞外液中的神经元被调制成以预设调制频率放电(S102)。

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求提交于2017年8月26日的美国临时专利申请第62/550,596号和提交于2017年10月29日的美国临时专利申请第62/578,463号的优先权，其全部内容全文以引用方式并入本文中。

技术领域

本申请涉及一种利用电磁场调制脑活动的方法和装置，特别地，涉及一种调制脑中的脑功能区的神经元放电频率的方法和装置，其中产生电磁场以调制脑功能区的神经元放电频率，从而调制脑中的活动。

背景技术

脑由聚集成多个脑功能区的神经元形成。每个功能区在脑中执行特定功能，并且功能特征性地与脑功能区的神经元放电频率相关，其显示为脑中的活动。因此，调制脑功能区的神经元放电频率相应地调制脑中的活动。在每个脑功能区，神经元由细胞外液包围，细胞外液含有带电粒子，诸如钙、钾和氯。每个神经元在其半透膜上具有门，其中带电粒子通过该门流入或流出神经元。随着带电粒子(例如，通过扩散)流入并积聚在神经元的半透膜中并将膜电位(即神经元的极化)增进到阈值并且膜受到刺激，膜上的门打开以用于所有带电粒子快速流出膜(引起神经元的去极化)，从而形成神经元的极化和去极化的循环。在去极化结束时，神经元的极化的另一个循环开始朝向下一个去极化，以此类推，从而以确定脑功能区的功能状态的放电频率形成神经元的放电循环。

通过扩散流入神经元的半透膜以增进神经元的膜电位(即神经元的极化)的带电粒子取决于周围细胞外液中带电粒子的浓度分布，并且因此可以通过改变细胞外液的极化密度来是正向或负向地促进。通过改变细胞外液的极化密度，可以改变扩散速率，并且然后可以改变神经元的极化和去极化所花费的时间。因此，改变细胞外液的极化密度的变化频率改变了神经元的极化和去极化循环的频率，即改变了神经元的放电速率。

发明内容

在一个方面中，提供了一种调制脑中的脑功能区的神经元放电频率的方法，该方法包括：

通过其以预设调制频率变化的功率产生电磁场；以及

将所产生的电磁场布置在脑附近，使得目标脑功能区在电磁场的近场范围内，从而利用电磁场的功率使脑功能区的细胞外液极化，使得细胞外液的极化密度以预设调制频率变化并且细胞外液中的神经元被调制成以预设调制频率放电。

电磁场的近场可以由天线生成并且满足条件其中d表示从天线到其中近场结束的近场边缘的距离，D表示天线的最大尺寸，以及λ表示所产生的电磁场在真空中的波长。这里，假设d满足上述条件，来自天线的电功率可以通过天线中的电流和电荷经由由脑中的神经元群体形成的神经元簇施加到目标脑功能区上的感应和电容效应有效地转移到近场内的目标脑功能区上，神经元簇作为用于接收从天线到近场内的目标脑功能区的电功率的次级天线。

所产生的电磁场在真空中的波长λ使得所产生的电磁场在脑功能区的波长与脑功能区的尺寸相匹配。以这种方式，可以通过电磁场有效地调制脑功能区。

附加地或替代地，所产生的电磁场在真空中的波长λ可以使得电磁场在脑功能区的波长为脑功能区的尺寸的70％至130％。

基于脑功能区的工作(或正常)神经元放电频率来确定预设调制频率，并且其优选地在1Hz至2500Hz的范围内，优选地5Hz至125Hz，更优选地5Hz至45Hz，更优选地25Hz至85Hz，以及更优选地10Hz至30Hz。当预设调制频率与脑功能区的工作神经元放电频率基本相同或接近时，脑功能区可以被调制成以工作神经元放电频率适当地工作，以治疗或预防脑功能区的疾病以及增强脑功能。