莱斯大学的神经工程学家创造了一种微型外科植入物，该植入物可以在不使用电池或有线电源的情况下刺激大脑和神经系统。神经刺激器从磁能中吸收能量，其大小约为一粒米的大小。它是全球第一台产生与临床认可的电池供电植入物相同类型的高频信号的磁动力神经刺激器，用于治疗癫痫，帕金森氏病，慢性疼痛等疾病。这项研究发表在《神经元》杂志上。

放在米粒中的植入物：磁动力神经刺激器

植入物的关键成分是“磁电”材料薄膜，可将磁能直接转换成电压。该方法避免了无线电波，超声波，光甚至电磁线圈的缺点，这些缺点均已被提议为微小的无线植入物供电，并且已显示出对活组织的干扰或产生有害的热量。

为了证明磁电技术的可行性，研究人员展示了植入物是在完全清醒且可以在其外壳周围自由漫游的啮齿动物中工作的。

该研究的作者，Jacob Robinson表示：“进行原理证明的演示非常重要，因为这是一个巨大的技术飞跃，从台式演示转变为实际上可能对治疗人有用的东西。”莱斯神经工程倡议。“我们的研究结果表明，使用磁电材料进行无线供电不只是一个新颖的想法。这些材料是临床级无线生物电子学的理想选择。”

能够调节大脑和神经系统活动的微型植入物可能具有广泛的意义。虽然电池供电的植入物经常用于治疗帕金森氏病患者的癫痫病并减轻震颤，但研究表明，神经刺激可用于治疗抑郁症，强迫症以及超过三分之一的慢性，顽固性患者经常导致焦虑，抑郁和阿片类药物成瘾的疼痛。

罗宾逊说，研究主要作者和研究生阿曼达·辛格（Amanda Singer）的小型化非常重要，因为使神经刺激疗法更广泛可用的关键是制造无电池的无线设备，该设备足够小，无需进行大手术即可植入。他说，大约一米大小的设备可以用一种微创的方法植入体内几乎任何地方，这种方法类似于将支架放置在阻塞的动脉中的方法。

该研究的合著者和神经工程倡议成员Caleb Kemere说：“当您必须开发可以皮下植入小动物头骨的东西时，您的设计约束将发生巨大变化。在无约束的环境中将其用于啮齿动物确实迫使阿曼达（Amanda）将尺寸和体积降低到最小可能的规模。”

对于啮齿动物测试，将设备放置在啮齿动物皮下，这些啮齿动物可以在整个外壳中自由漫游。啮齿动物优选地在外壳的一部分中，其中磁场激活了刺激器并且向它们的大脑的奖励中心提供了小的电压。

为了证明微型磁电神经刺激技术的可行性，莱斯大学的神经工程师创造了微型设备，它们被放置在啮齿动物皮下，可以在整个外壳中自由漫游。啮齿动物优选在外壳的一部分中，在该部分中，磁场激活了刺激器，并向它们的大脑的奖励中心提供了很小的电压。图片来源：J。Robinson /莱斯大学

辛格（Singer）是鲁滨逊实验室的一名应用物理专业的学生，他通过将两种截然不同的材料的层连接在单个薄膜中来解决了无线功率问题。第一层是铁，硼，硅和碳的磁致伸缩箔，当将其置于磁场中时会以分子水平振动。第二个是压电晶体，将机械应力直接转换成电压。

辛格说：“磁场在磁致伸缩材料中产生应力。” “它不会使材料明显变大，但会产生声波，其中一些处于共振频率，从而产生一种我们称为声共振模式的特殊模式。”

磁致伸缩材料中的声共振是导致大型变压器发出嗡嗡声的原因。在辛格（Singer）的植入物中，声音回响会激活薄膜的压电部分。

鲁滨逊说，磁电膜可以收集到很多能量，但是其工作频率太高，无法影响脑细胞。

罗宾逊说：“阿曼达解决的一项主要工程就是创建电路，以较低的频率调节细胞的活动。” “这类似于AM无线电的工作方式。您具有这些非常高的频率波，但是它们是以您可以听到的低频进行调制的。”

辛格说，产生一种调制的双相信号以刺激神经元而不损害神经元是一个挑战，而小型化也是如此。

她说：“当我们第一次提交这篇论文时，我们没有微型植入版本。” “到目前为止，最大的事情是弄清楚如何真正获得我们所激发的双相信号，我们需要这样做的电路元件。

辛格说：“当我们在第一次提交后重新获得评论时，评论就像，'好吧，你说可以把它缩小。所以，把它缩小。” “因此，我们又花了一年左右的时间来缩小它的体积，并证明它确实有效。这可能是最大的障碍。首先，制造出行之有效的小型设备非常困难。”

总而言之，这项研究花费了超过五年的时间，主要是因为Singer必须从头开始制作几乎所有东西，Robinson说。

他说：“这种电力传输技术没有基础设施。” “如果您使用的是射频（RF），则可以购买RF天线和RF信号发生器。如果您使用的是超声，那并不像有人说的那样，'哦，顺便说一句，首先您必须制造超声机。”

“阿曼达必须建立整个系统，从产生磁场的装置到将磁场转换成电压的分层薄膜，再到将其调制成可用于临床的电路元件。她必须制造所有的系统。将其包装，放入动物体内，为体内实验创建测试环境和固定装置并进行这些实验。除了磁致伸缩箔和压电晶体外，该项目中没有其他可购买的东西供应商。”

来源：贤集网