體積超小且由超聲波

提供動(dòng)力支持的微粒

能夠記錄并調(diào)節(jié)神經(jīng)活動(dòng)

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主流醫(yī)學(xué)在人體內(nèi)使用電子元件的現(xiàn)象越來(lái)越普遍，各種植入元件被植入體內(nèi)，用于測(cè)量人體內(nèi)部狀況并向神經(jīng)和肌肉發(fā)送模擬的電震動(dòng)刺激。但是，要將人體轉(zhuǎn)換成為合適的“半機(jī)械人”，需要大量能分布于人體各處的微型設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，一個(gè)生物工程師團(tuán)隊(duì)已成功打造出了塵埃大小的無(wú)線電極，可直接貼附于神經(jīng)之上，也許在未來(lái)的某天，也可“寄居”在人類的大腦里。

該工程師團(tuán)隊(duì)來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校，他們將一顆被稱為“神經(jīng)灰塵”的顆粒移植到一只被麻醉的大鼠體內(nèi)，成功證明該植入電極可記錄該大鼠坐骨神經(jīng)所發(fā)出的信號(hào)并可通過無(wú)線方式傳輸這些信息。本次研究工作在加州大學(xué)伯克利分校神經(jīng)工程和假體中心予以具體實(shí)施。喬斯?卡門納（Jose Carmena）是該中心的聯(lián)執(zhí)主任，也是本次研究工作的聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)人員，他表示：“本次試驗(yàn)是概念認(rèn)證試驗(yàn)。”如果神經(jīng)灰塵可用于人體和大腦之中，那么醫(yī)生將會(huì)與人類神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生全新且更為密切的“互動(dòng)關(guān)系”。

但首先，神經(jīng)灰塵要能在失去知覺的大鼠體內(nèi)發(fā)揮作用。

在為神經(jīng)灰塵提供動(dòng)力時(shí)，動(dòng)物體外的換能器將發(fā)出超聲波震動(dòng)，并通過皮膚和組織進(jìn)行傳遞。當(dāng)聲波到達(dá)植入的微粒時(shí)，微粒的壓電晶體會(huì)將震動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，從而向按壓在神經(jīng)之上的尺寸極小的晶體管提供動(dòng)力支持。隨著神經(jīng)中的自然電活動(dòng)不斷發(fā)生變化，晶體管中的電流也隨之發(fā)生變化，從而為神經(jīng)信號(hào)提供了一個(gè)讀出機(jī)制。

神經(jīng)灰塵系統(tǒng)同樣會(huì)使用超聲波將上述神經(jīng)信號(hào)信息傳出體外。外部換能器會(huì)發(fā)出為微粒供能的超聲波震動(dòng)以及接收部分返回震動(dòng)的回音，發(fā)出和接收交替進(jìn)行。由于通過晶體管的電流發(fā)生變化，故壓電晶體的機(jī)械阻抗亦發(fā)生變化，繼而對(duì)換能器所收到的返回信號(hào)數(shù)量產(chǎn)生影響。

為確保該系統(tǒng)對(duì)人類可用，卡門納及其同事目前正著力解決4項(xiàng)極為突出的技術(shù)挑戰(zhàn)。

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挑戰(zhàn)1

在大鼠清醒且不斷亂動(dòng)的狀態(tài)下，

確保大鼠體內(nèi)的神經(jīng)灰塵系統(tǒng)正常工作。

使用超聲波為顆粒供電擁有一大優(yōu)勢(shì)，那就是可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)線化。其他神經(jīng)記錄系統(tǒng)通常使用大型電池或笨拙不雅且須穿透皮膚的電線。但無(wú)線化也存在一個(gè)弊端。外部換能器必須與植入灰塵顆粒保持高度一致，只有這樣，超聲波震動(dòng)才能準(zhǔn)確觸達(dá)壓電晶體。當(dāng)被試大鼠處于無(wú)意識(shí)狀態(tài)時(shí)，保持上述一致較為簡(jiǎn)單，但如果大鼠處于清醒狀態(tài)且四處亂動(dòng)，那么問題就變得較為棘手了。

因此，本次研究工作的聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)人米歇爾?馬哈比斯（Michel Maharbiz，就職于伯克利分校電子工程系）曾研發(fā)嚙齒動(dòng)物可穿戴的換能器。他提出將一個(gè)內(nèi)含換能器設(shè)備的小背包放置于植入顆粒的上部，從而實(shí)現(xiàn)可靠的一致性要求。

盡管如此，部分專家還是表示，一致性問題將導(dǎo)致神經(jīng)灰塵系統(tǒng)無(wú)法在人類患者中得到實(shí)際應(yīng)用。達(dá)斯汀?泰勒（Dustin Tyler）是位于美國(guó)克利夫蘭的凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程教授，致力于研究包裹神經(jīng)的卡膚電極，他表示：“極為復(fù)雜的外部組件將削弱簡(jiǎn)單無(wú)線植入物的優(yōu)勢(shì)。每天穿脫那些需要進(jìn)行調(diào)整從而實(shí)現(xiàn)高度一致性的（超聲）換能器設(shè)備陣列，會(huì)使人感到心煩意亂，且會(huì)導(dǎo)致病人無(wú)法使用或無(wú)法正常使用這種設(shè)備。”

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挑戰(zhàn)2

在單個(gè)動(dòng)物體內(nèi)使用多個(gè)微粒。

在概念認(rèn)證試驗(yàn)中，研究人員不僅對(duì)大鼠神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行了記錄，也對(duì)大鼠肌肉的電信號(hào)進(jìn)行了記錄。馬哈比斯表示：“通過在多處肌肉和神經(jīng)上使用微粒，神經(jīng)灰塵可提供相當(dāng)于內(nèi)部傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能。深層組織溫度傳感器對(duì)于器官功能的監(jiān)測(cè)強(qiáng)度和效率是目前已有技術(shù)所無(wú)法匹敵的。”

要想對(duì)來(lái)自多個(gè)微粒的信號(hào)提供動(dòng)力支持并進(jìn)行記錄，研究人員需要研發(fā)新的技巧和方法，并需確定更優(yōu)的信號(hào)處理流程。研究人員可使用大量的超聲波換能器，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)物全身的射束掃描，從而依次觸達(dá)所有顆粒。工程師也正編寫全新的信號(hào)處理算法，以便正確識(shí)別來(lái)自多個(gè)信號(hào)源的回聲信息。卡門納對(duì)此十分樂觀，他強(qiáng)調(diào)：“蝙蝠也使用相似的回聲定位方法，從而在存在眾多動(dòng)物的山洞內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)航、飛行。如果蝙蝠可以做到這一點(diǎn)，那么我們應(yīng)該也可做到。”

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挑戰(zhàn)3

除了記錄功能外，

神經(jīng)灰塵還應(yīng)該能刺激神經(jīng)。

盡管記錄神經(jīng)和肌肉產(chǎn)生的信號(hào)能夠提供關(guān)于人體的詳細(xì)信息，但是，身處“電子醫(yī)學(xué)”這一熱門新領(lǐng)域的研究人員，更傾向于使用電脈沖對(duì)神經(jīng)進(jìn)行刺激從而改變身體的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。例如，電子醫(yī)學(xué)公司正在開發(fā)對(duì)頸部迷走神經(jīng)進(jìn)行刺激的醫(yī)療設(shè)備，可改善類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的發(fā)炎癥狀，并可減輕偏頭疼的疼痛程度。

但是，當(dāng)前的神經(jīng)灰塵顆粒仍是一款功率較低的設(shè)備，其功率只有0.12毫瓦。費(fèi)恩斯坦醫(yī)學(xué)研究所（Feinstein Institute）位于紐約州的曼哈塞特，該機(jī)構(gòu)的生物電子醫(yī)學(xué)中心主任查德?布頓（Chad Bouton）表示：“具備刺激功能的顆粒需要更大的功率支持。他們的思路十分正確，但要成功開發(fā)刺激功能，他們或許還需進(jìn)行更多工作。”布頓的實(shí)驗(yàn)室已開發(fā)出另一種神經(jīng)環(huán)帶，并配有大量緊密排布的電極，提供強(qiáng)勁的刺激沖擊，但是，該設(shè)備目前仍需使用穿透皮膚的線路。

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挑戰(zhàn)4

需縮小顆粒尺寸，

以便能夠安全放置于人腦之中。

“神經(jīng)灰塵”這一名稱頗具理想性：研究人員目前使用的顆粒，其體積約為2.4立方毫米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常見的灰塵顆粒體積。如果研究人員想在人腦中安全分布神經(jīng)灰塵，那么他們必須研制出體積更小的顆粒。

研究人員表示，他們的顆粒樣品使用的是市場(chǎng)上流通的普通電路板。他們認(rèn)為，通過開發(fā)定制化電路板，他們可以將顆粒的體積縮小到1立方毫米，約為樣品中壓電晶體的尺寸。同時(shí)，他們已經(jīng)在為更具“野心”的目標(biāo)而努力：研發(fā)體積僅為50立方微米的顆粒。如可獲得該等體積的顆粒，那么即可將顆粒放置于人類大腦更深層次的褶皺區(qū)域，我們也可以一窺人類腦海中那些未知的神秘角落。

作者：ElizaStrickland

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