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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(tái)產(chǎn)生與臨床批準(zhǔn)的電池供電植入物相同類(lèi)型的高頻信號(hào)的磁動(dòng)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(xiàng)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(wú)線電波，超聲波，光甚至電磁線圈的缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)均已被提議用于為微小的無(wú)線植入物供電，并且已經(jīng)證明它們會(huì)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?chē)杂陕蔚膰X動(dòng)物中工作的。

該研究的作者，Jacob Robinson說(shuō)：“進(jìn)行原理證明的演示非常重要，因?yàn)檫@是從臺(tái)式演示到實(shí)際上對(duì)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(wú)線供電不只是一種新穎的想法。這些材料是臨床級(jí)無(wú)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(dòng)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(qiáng)迫癥以及超過(guò)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(lèi)藥物成癮的疼痛。

羅賓遜說(shuō)，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?yàn)槭股窠?jīng)刺激療法更廣泛可用的關(guān)鍵是制造無(wú)電池的無(wú)線設(shè)備，該設(shè)備足夠小，無(wú)需進(jìn)行大手術(shù)即可植入。他說(shuō)，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(lèi)似于將支架放置在阻塞的動(dòng)脈中。

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

對(duì)于嚙齒動(dòng)物測(cè)試，將設(shè)備放置在嚙齒動(dòng)物皮下，這些嚙齒動(dòng)物可以在整個(gè)外殼中自由漫游。嚙齒動(dòng)物優(yōu)選地在外殼的一部分中，其中磁場(chǎng)激活了刺激器并且向它們的大腦的獎(jiǎng)勵(lì)中心提供了小的電壓。

辛格（Singer）是魯濱遜實(shí)驗(yàn)室的一名應(yīng)用物理專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，??他通過(guò)將兩種截然不同的材料的層連接到單個(gè)薄膜中來(lái)解決了無(wú)線電源問(wèn)題。第一層是鐵，硼，硅和碳的磁致伸縮箔，當(dāng)將其置于磁場(chǎng)中時(shí)會(huì)以分子水平振動(dòng)。第二個(gè)是壓電晶體，將機(jī)械應(yīng)力直接轉(zhuǎn)換成電壓。

辛格說(shuō)：“磁場(chǎng)在磁致伸縮材料中產(chǎn)生應(yīng)力。” “它不會(huì)使材料明顯變大，但會(huì)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(chēng)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(huì)激活薄膜的壓電部分。

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

羅賓遜說(shuō)：“阿曼達(dá)解決的一項(xiàng)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(dòng)。” “這類(lèi)似于AM無(wú)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(tīng)到的低頻進(jìn)行調(diào)制的。”

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

她說(shuō)：“當(dāng)我們第一次提交這篇論文時(shí)，我們沒(méi)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(hào)，我們需要這樣做的電路元件。

辛格說(shuō)：“當(dāng)我們第一次提交評(píng)論后又收到評(píng)論時(shí)，評(píng)論就像，'好吧，你說(shuō)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(shí)間來(lái)縮小它的尺寸，并證明它確實(shí)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(xiàng)研究花費(fèi)了五年多的時(shí)間，主要是因?yàn)镾inger必須從頭開(kāi)始制作幾乎所有東西，Robinson說(shuō)。

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

“阿曼達(dá)必須建立整個(gè)系統(tǒng)，從產(chǎn)生磁場(chǎng)的設(shè)備到將磁場(chǎng)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(dòng)物體內(nèi)，為體內(nèi)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建測(cè)試環(huán)境和固定裝置并進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)。除了磁致伸縮箔和壓電晶體外，該項(xiàng)目中沒(méi)有其他可購(gòu)買(mǎi)的東西供應(yīng)商。”

Robinson和Kemere分別是電氣和計(jì)算機(jī)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(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院的支持。