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神經(jīng)刺激器從磁能中吸收能量，其大小約為一米粒。它是第一臺產(chǎn)生與臨床批準(zhǔn)的電池供電植入物相同類型的高頻信號的磁動力神經(jīng)刺激器，用于治療癲癇，帕金森氏病，慢性疼痛和其他疾病。

這項研究今天可以在Neuron雜志上在線獲得。

植入物的關(guān)鍵成分是“磁電”材料薄膜，可將磁能直接轉(zhuǎn)換成電壓。該方法避免了無線電波，超聲波，光甚至電磁線圈的缺點，這些缺點均已被提議用于為微小的無線植入物供電，并且已經(jīng)證明它們會干擾活體組織或產(chǎn)生有害的熱量。

為了證明磁電技術(shù)的可行性，研究人員展示了植入物是在完全清醒且可以在其外殼周圍自由漫游的嚙齒動物中工作的。

該研究的作者，Jacob Robinson說：“進(jìn)行原理證明的演示非常重要，因為這是從臺式演示到實際上對治療人有用的巨大技術(shù)飛躍。”萊斯神經(jīng)工程倡議。“我們的研究結(jié)果表明，使用磁電材料進(jìn)行無線供電不只是一種新穎的想法。這些材料是臨床級無線生物電子學(xué)的極佳選擇。”

能夠調(diào)節(jié)大腦和神經(jīng)系統(tǒng)活動的微型植入物可能具有廣泛的意義。雖然電池供電的植入物經(jīng)常用于治療帕金森氏病患者的癲癇病并減輕震顫，但研究表明，神經(jīng)刺激可用于治療抑郁癥，強迫癥以及超過三分之一的慢性，頑固性患者經(jīng)常導(dǎo)致焦慮，抑郁和阿片類藥物成癮的疼痛。

羅賓遜說，研究主要作者和研究生阿曼達(dá)·辛格（Amanda Singer）的小型化非常重要，因為使神經(jīng)刺激療法更廣泛可用的關(guān)鍵是制造無電池的無線設(shè)備，該設(shè)備足夠小，無需進(jìn)行大手術(shù)即可植入。他說，可以用一種微創(chuàng)的方法將大約一粒米大小的設(shè)備植入體內(nèi)幾乎任何地方，這種方法類似于將支架放置在阻塞的動脈中。

該研究的合著者和神經(jīng)工程倡議成員Caleb Kemere說：“當(dāng)您必須開發(fā)可以皮下植入小動物頭骨的東西時，您的設(shè)計約束將發(fā)生巨大變化。在無約束的環(huán)境中將其用于嚙齒動物確實迫使阿曼達(dá)（Amanda）將尺寸和體積減小到最小程度。”

對于嚙齒動物測試，將設(shè)備放置在嚙齒動物皮下，這些嚙齒動物可以在整個外殼中自由漫游。嚙齒動物優(yōu)選地在外殼的一部分中，其中磁場激活了刺激器并且向它們的大腦的獎勵中心提供了小的電壓。

辛格（Singer）是魯濱遜實驗室的一名應(yīng)用物理專業(yè)的學(xué)生，??他通過將兩種截然不同的材料的層連接到單個薄膜中來解決了無線電源問題。第一層是鐵，硼，硅和碳的磁致伸縮箔，當(dāng)將其置于磁場中時會以分子水平振動。第二個是壓電晶體，將機械應(yīng)力直接轉(zhuǎn)換成電壓。

辛格說：“磁場在磁致伸縮材料中產(chǎn)生應(yīng)力。” “它不會使材料明顯變大，但會產(chǎn)生聲波，其中一些處于共振頻率，從而產(chǎn)生一種我們稱為聲共振模式的特殊模式。”

磁致伸縮材料中的聲共振是導(dǎo)致大型變壓器發(fā)出嗡嗡聲的原因。在辛格（Singer）的植入物中，聲音回響會激活薄膜的壓電部分。

魯濱遜說，磁電薄膜會收集大量能量，但其工作頻率太高，無法影響腦細(xì)胞。

羅賓遜說：“阿曼達(dá)解決的一項主要工程就是創(chuàng)建電路，以較低的頻率調(diào)節(jié)細(xì)胞的活動。” “這類似于AM無線電的工作方式。您具有這些非常高的頻率波，但是它們是以您可以聽到的低頻進(jìn)行調(diào)制的。”

辛格說，產(chǎn)生一種調(diào)制的雙相信號以刺激神經(jīng)元而不損害神經(jīng)元是一個挑戰(zhàn)，而小型化也是如此。

她說：“當(dāng)我們第一次提交這篇論文時，我們沒有微型植入版。” “到目前為止，最大的事情是弄清楚如何真正獲得我們所激發(fā)的雙相信號，我們需要這樣做的電路元件。

辛格說：“當(dāng)我們第一次提交評論后又收到評論時，評論就像，'好吧，你說可以把它縮小。所以，把它縮小。” “所以，我們又花了一年左右的時間來縮小它的尺寸，并證明它確實有效。這可能是最大的障礙。首先，制造出行之有效的小型設(shè)備非常困難。”

總而言之，這項研究花費了五年多的時間，主要是因為Singer必須從頭開始制作幾乎所有東西，Robinson說。

他說：“這種電力傳輸技術(shù)沒有基礎(chǔ)設(shè)施。” “如果您使用的是射頻（RF），則可以購買RF天線和RF信號發(fā)生器。如果您使用的是超聲，那并不像有人說的那樣，'哦，順便說一句，首先您必須制造超聲機。”

“阿曼達(dá)必須建立整個系統(tǒng)，從產(chǎn)生磁場的設(shè)備到將磁場轉(zhuǎn)換成電壓的分層薄膜，再到將其調(diào)制成可用于臨床的電路元件。她必須制造所有將其包裝，放入動物體內(nèi)，為體內(nèi)實驗創(chuàng)建測試環(huán)境和固定裝置并進(jìn)行這些實驗。除了磁致伸縮箔和壓電晶體外，該項目中沒有其他可購買的東西供應(yīng)商。”

Robinson和Kemere分別是電氣和計算機工程以及生物工程的副教授。

其他合著者包括萊斯大學(xué)的Shayok Dutta，Eric Lewis，陳子瑩，Joshua Chen，Nishant Verma，Benjamin Avants和Ariel Feldman，全部是萊斯，以及德克薩斯州大學(xué)休斯頓分校健康科學(xué)中心的John O'Malley和Michael Beierlein麥戈文醫(yī)學(xué)院。

該研究得到了美國國家科學(xué)基金會和美國國立衛(wèi)生研究院的支持。