莱斯团队制造了一种微型磁力神经刺激器

莱斯大学(Rice University)的神经工程师发明了一种微型外科植入物，可以在不使用电池或有线电源的情况下电刺激大脑和神经系统。

这种神经刺激器从磁能中获取能量，大约有一粒米粒大小。这是第一个磁力驱动的神经刺激器，它产生的高频信号与临床批准的电池驱动植入物相同，这些植入物用于治疗癫痫、帕金森病、慢性疼痛以及其他条件。

这项研究发表在今天的杂志网络版上神经元。

这种植入物的关键成分是一层可以转换的“磁电”材料薄膜磁性能量直接转换成电压。这种方法避免了无线电波、超声波、光甚至磁线圈的缺点，所有这些都被提议用于为微型无线植入物供电，但已被证明会受到活体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在完全清醒的啮齿动物身上起作用，它们可以自由地在笼子里闲逛。

该研究的通讯作者、莱斯大学神经工程计划的成员雅各布·罗宾逊说:“进行原理证明演示真的很重要，因为从实验台演示到可能真正有用的治疗，这是一个巨大的技术飞跃。”“我们的研究结果表明，使用磁电材料进行无线电力传输不仅仅是一个新想法。这些材料是临床级无线生物电子学的优秀候选材料。”

可以调节大脑活动的微型植入物神经系统可能会产生广泛的影响。虽然电池驱动的植入物经常被用于治疗癫痫和减轻帕金森氏症患者的颤抖，但研究表明，神经刺激可能有助于治疗抑郁症、强迫症和超过三分之一患有慢性顽固性疼痛的患者，这些疼痛往往会导致焦虑、抑郁和阿片类药物成瘾。

罗宾逊说，该研究的主要作者、研究生阿曼达·辛格的小型化很重要，因为让神经刺激疗法更广泛应用的关键是创造无电池的，无线设备小到不需要大手术就可以植入。他说，米粒大小的设备可以通过类似于在阻塞的动脉中放置支架的微创手术，被植入身体的几乎任何地方。

该研究的合著者、神经工程计划成员Caleb Kemere说:“当你必须开发可以皮下植入小动物头骨的东西时，你的设计限制会发生重大变化。在没有约束的环境中，让这种方法在啮齿动物身上起作用，真的迫使阿曼达把尺寸和体积减小到尽可能小的规模。”

在啮齿动物测试中，设备被放置在啮齿动物的皮肤下，这些啮齿动物可以在它们的围栏内自由漫游。这些啮齿类动物喜欢待在有动物出没的地方磁场激活刺激器，并向他们大脑的奖励中心提供一个小电压。

辛格是罗宾逊实验室的一名应用物理学学生，他通过将两种截然不同的材料层连接在一块薄膜上解决了无线电源问题。第一层是由铁、硼、硅和碳组成的磁致伸缩箔，当它被置于磁场中时，它会在分子水平上振动。第二种是压电晶体，它能将机械应力直接转化为电压。

“磁场在磁致伸缩材料中产生应力，”辛格说。“它不会使材料变得明显的大或小，但它会产生声波，其中一些是在一个共振频率这就创造了一种特殊的模式，我们称之为声学共振模式。”

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。在辛格的植入物中，声学混响激活了薄膜的压电部分。

罗宾逊说，磁电薄膜可以获得大量的能量，但工作频率太高，无法影响脑细胞。

罗宾逊说:“阿曼达解决的一项主要工程是创建电路，以较低的频率调节细胞的活动，从而使细胞做出反应。”“这类似于AM广播的工作方式。你有这些非常高频的波，但它们被调制成你能听到的低频。”

辛格说，创造一种调制的双相信号，既能刺激神经元，又不伤害它们，这是一个挑战，小型化也是一个挑战。

“当我们第一次提交这篇论文时，我们没有微型植入版本，”她说。“到目前为止，最大的事情是弄清楚如何真正获得我们刺激的双相信号，我们需要什么电路元件来做到这一点。

“当我们在第一次提交后收到评论时，评论就像，‘好吧，你说你可以把它做小。所以，让它小一点，’”辛格说。“所以，我们又花了一年左右的时间把它变小，并证明它确实有效。这可能是最大的障碍。起初，制作小型设备很困难。”

罗宾逊说，这项研究总共花了五年多的时间，很大程度上是因为辛格必须从零开始制作几乎所有的东西。

“这种电力传输技术没有基础设施，”他说。“如果你使用射频(RF)，你可以购买射频天线和射频信号发生器。如果你在使用超声波，就不会有人说，“哦，顺便说一下，首先你得造一台超声波机。”

“阿曼达必须建立整个系统，从产生磁场的设备到将磁场转换为电压的分层薄膜，再到调节磁场并将其转化为临床有用的电路元件。她必须制造所有的东西，包装，放入动物体内，为体内实验创造测试环境和装置，并执行这些实验。除了磁致伸缩箔和压电晶体，这个项目中没有任何东西可以从供应商那里买到。”