科學家發明小型神經刺激器，可無線供電_風聞
Science_北京-不惧过往，不畏将来！2019-06-12 11:39
編譯／花花 審稿／西莫 責編／張夢
近日，美國研究人員利用光遺傳學和比米粒還小的微型線圈，改進了針對神經元的可植入光學設備，並利用這種方法通過傳播光脈衝控制基因改造神經元中的蛋白質表達。
反射耦合神經刺激器系統概念圖。(a)感應鏈路系統概覽。(b)無線供電的光電神經刺激器的概念圖及其在動物大腦皮層上的位置。
隨着神經生物學系統中半導體植入物的快速發展，旨在實現臨牀轉化的神經科學的發現和發明也進展迅速。光遺傳學可以將光傳輸到感興趣的神經組織，同時使用目標控制工具從細胞中收集數據。
理想的無線光學植入物必須滿足以下條件：
1. 以毫米為單位縮小尺寸，以預防侵入性手術感染、發炎及術後創傷。
2. 允許高效的電力傳輸和與深部目標神經元的遠距離通訊，進而實現在人類上的應用。
但目前科學家們還未發明一種完全可植入和小型化的高壓刺激器來提供精確的刺激並控制感興趣的參數。
近日，來自美國電氣、計算機工程和生理學交叉部門的Wasif Khan領導的一組研究人員，利用光遺傳學和比米粒還小的微型線圈改進了針對神經元的可植入光學設備，並利用這種方法通過傳播光脈衝控制了基因改造神經元中的蛋白質表達。相關論文發表在《微系統和納米工程》雜誌上。
在此之前，神經科學家一直在使用笨重的電纜和電池來控制並收集數據。為了取代這種笨重的硬件系統，Khan等人開發了一種完全無線的原型機：他們將一個微尺度發光二極管（µLED）與一個2毫米的線圈連接起來，創建了一個感應充電系統，並能夠在齧齒類動物模型中以生物安全頻率提供瞬時電力。
無線裝置刺激了視覺皮層的神經元，同時將温度升高保持在生物醫學植入物的關鍵安全閾值——10℃以下。
接下來，科學家們研究了神經刺激器的光學特性，發現與波導或穿透探針相比，神經刺激器對深層腦細胞的侵入性更小。反射耦合神經刺激器具有良好的光學性能，但隨着組織切片厚度的增加，光強明顯降低。在無深部組織侵入的腦刺激中，反射耦合刺激器的強度顯著高於裸刺激器。
Khan等人也測試並優化了神經刺激器原型機的熱性能、電磁性能和功率傳遞效能，並在大鼠體內進行了組織學研究，驗證了無線光刺激在大鼠初級視覺皮質中的有效性。
總的來説，Khan等人設計、製造並描述了一種反射耦合的無線單通道光神經刺激器，它具有毫米級的接收線圈，可用於光遺傳學的神經調節。
在目前的工作中，反射耦合刺激器相比裸µLED具有更高的性能。進一步地，研究人員利用分析電路模型、有限元模擬和實驗方法研究了雙線圈遙測鏈路的性能，並在通過光刺激觀察細胞活性上調的大鼠模型中驗證了神經刺激器的潛在作用。
接下來他們將進行進一步研究，將這些設備小型化並用於神經生物學。
期刊來源：《微系統和納米工程》
期刊編號：2055-7434
原文鏈接：
https://phys.org/news/2019-06-biotechnology-wireless-power-tiny-neural.html
中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。轉載請註明來源。
轉載本公號內容請聯繫授權