Original: http://news.berkeley.edu/2016/08/03/sprinkling-of-neural-dust-opens-door-to-electroceuticals/
Роберт Сендерс, відділ зв’язків із ЗМІ |
Інженери Університету Каліфорнії, Берклі, побудували перші пилу розміру, бездротові датчики, які можуть бути імплантовані в тіло, наближаючи день, коли пристрій типу фітнес-браслета може контролювати внутрішні нерви, м’язи або органи в режимі реального часу.
Бездротові безбатарейні датчики, які імплантуються, могли б поліпшити контроль мозку протезування, уникаючи проходження дротів через череп. (Відео від Роксанни Макасдьян і Стівена Макнеллі з Університету Каліфорнії, Берклі)
Оскільки ці безбатарейні датчики також можуть бути використані для стимуляції нервів і м’язів, технологія також відкриває двері у “світ електроцитів” для лікування розладів, таких як епілепсія, або стимулює імунну систему чи знижує запалення.
Так званий нейронний пил, який команда імплантовані в м’язах і периферичних нервів у щурів, унікальний тим, що ультразвук використовується як для харчування і зчитувати результати вимірювань. Технологія ультразвукової вже добре розроблені для використання в лікарнях, а також ультразвукові коливання можуть проникати практично в будь-якій частині тіла, на відміну від радіохвиль, кажуть дослідники.
“Я думаю, що довгострокові перспективи для нейронного пилу не тільки всередині нервів і мозку, але набагато ширше”, – сказав Мішель Махарбіз, доцент кафедри електротехніки та комп’ютерних наук та один з двох головних авторів дослідження. “Маючи доступ до загально-тілі телеметрією ніколи не було можливо, тому що не було ніякого способу, щоб покласти щось надмініатюрні надглибокої. Але тепер я можу взяти частинку нічого і залишити його поруч з нервом або органу, ваш шлунково-кишковий тракт або м’язи, а також зчитувати дані”.
Махарбіз, нейрофізіолог Хосе Кармена, професор електротехніки та комп’ютерних наук і член Інституту неврології Гелен Уіллс і їх колеги будуть повідомляти про свої результати у 3 серпневому випуску журналу Neuron (нейрон).
Датчики, які дослідники вже скоротилася до 1 міліметра куба – розміром приблизно великого піщинки – містить п’єзоелектричний кристал, який перетворює ультразвукові коливання зовні тіла в електрику для живлення крихітний, на борту транзистор, який в контакті з нерва або м’язового волокна. Шип напруги в волокні змінює ланцюг і вібрацію кристала, який змінює відлуння виявленого ультразвукового приймача, зазвичай той же пристрій, що генерує вібрації. Невелика зміна, зване зворотне розсіювання, дозволяє їм визначити напругу.
Датчик, 3 мм завдовжки й 1 × 1 мм у поперечному зрізі, прикріплений до нервових волокон у щура. Після імплантації датчик безбатарейного живлення працює, і дані зчитуються за допомогою ультразвуку. (Фото Райана Нілі)
Пил, розсипаний по всьому тілу
Пил датчика містить п’єзоелектричний кристал (срібний куб), а також просту електронну схему, яка реагує на напругу на двох електродах, щоб змінити зворотне розсіювання ультразвукових імпульсів, створюваних перетворювачем поза тілом. Напруга на електродах може бути визначена за допомогою аналізу ультразвукового зворотного розсіювання. (Фото Райана Нілі)
“Початкова мета проекту нервової пилу було уявити наступне покоління мозок-машинних інтерфейсів, і зробити його життєздатною клінічною технологією”, – сказав аспірант нейробіології Райан Нілі. “Якщо паралізований хоче управляти комп’ютером або роботизованою рукою, ви б просто імплантувати цей електрод у мозок, і це буде продовжуватися по суті все життя”.
У статті, опублікованій в 2013 році, дослідники підрахували, що вони можуть стиснути датчики до куба 50 мкм на стороні – близько 2 тисячних дюйма, або половину ширини людської волосини. При такому розмірі, порошинки міг притискаються до кілька нервових аксонів і постійно записувати їх електричну активність.
“Привабливість у тому, що в даний час, датчики досить малі, щоб мати гарне застосування в периферичної нервової системи, для контролю сечового міхура або придушення апетиту, наприклад”, – сказав Кармена. “Ця технологія насправді не існує до цих пір, щоб дістатися до 50 мікрон цільового розміру, який ми повинні були б для мозку і центральної нервової системи. Як тільки це клінічно доведено, однак, нейронна пил буде просто замінити провідні електроди. На цей раз, як тільки ви закрити мозок, ви зробили”.
Команда працює тепер мініатюризації пристрою далі, знайти більш біосумісні матеріали і поліпшити поверхневий приймач, який посилає і приймає ультразвуки, в ідеалі за допомогою променя рульового технології для фокусування звуки хвиль на окремих пилинок. Вони тепер будують маленькі рюкзаки для щурів, щоб тримати ультразвукової приймач, який буде записувати дані з імплантованих пилинок.
Вони також працюють, щоб розширити можливості пилинки для виявлення неелектричних сигналів, таких як рівні кисню або гормонів.
“Бачення імплантувати ці нейронні порошинки пилу в будь-якій частині тіла, і є патч над імплантованим сайту відправити ультразвукові хвилі, щоб прокинутися і отримати необхідну інформацію з пилинок для бажаної терапії ви хочете” – сказав Донг’їн Сео, випускник студент в області електротехніки та комп’ютерних наук. “Врешті-решт ви будете використовувати кілька імплантатів і один патч, який буде пінг кожен імплантат окремо або всі одночасно”.
Діаграма, на якій зображено компоненти датчика. Увесь пристрій покритий біосумісним гелем.
Ультразвук проти радіо
Махарбіз і Кармена задумали ідею нервової пилу близько п’яти років тому, але спроби влади пристрою, що імплантується, і зчитувати дані з допомогою радіохвиль були невтішними. Радіо загасає дуже швидко з відстанню в тканини, так що зв’язок з пристроями глибоко в тілі буде важко без використання потенційно небезпечного випромінювання високої інтенсивності.
Махарбіз вдарив по ідеї ультразвуку, а в 2013 році опублікував статтю з Кармена, Сео і їх колегами, де описав, як така система може працювати. “Наше перше дослідження, яке показало, що фундаментальна фізика ультразвуку дозволила дуже-дуже маленьким імплантатам записувати і передавати нейронні дані”, – сказав Махарбіз. Він і його учні вже створили цю систему.
Датчик імплантують на периферичний нерв харчується і допитаний за допомогою ультразвукового перетворювача. Сигнал зворотного розсіювання несе інформацію про напругу на два електроди датчика. Пил пінгується через кожні 100 мікросекунд з шістьма 540-наносекундних ультразвукових імпульсів.
“Ультразвук є набагато більш ефективним, коли ви орієнтуєтеся пристроїв, які знаходяться на міліметрової шкалою або менше і, які вбудовані глибоко в тілі” – сказав Сео. “Ви можете отримати багато енергії в нього і набагато більш ефективної передачі енергії і зв’язку при використанні ультразвуку на відміну від електромагнітних хвиль, який був йти до способу для бездротової передачі енергії на мініатюрних імплантатів”.
“Тепер, коли у вас є надійний, мінімально інвазивної нейронну пікап в вашому тілі, ця технологія може стати драйвером для цілої гами додатків, речі, які сьогодні навіть не існує”, – сказав Кармена.
Іншими співавторами статті в Neuron є аспірант Конлін Шен, студент Уткарш Сінгхаль і професори Каліфорнійського університету, Берклі, Елад Алон і Ян Ребей. Робота виконана за підтримки передових оборонних дослідницьких проектів Агентства Міністерства оборони.
ПОВ’ЯЗАНІ ВІДОМОСТІ
- Бездротовий запис у периферичній нервовій системі за допомогою ультразвукового нервового пилу (Neuron)
- Веб-сайт Хосе Кармена
- Веб-сайт Майкла Махарбіза
