莱斯大学的神经工程师已经发明了一种微型外科植入物，它可以在不使用电池或有线电源的情况下用电刺激大脑和神经系统。
神经刺激器从磁能中获取能量，大小约为一粒米。这是第一个磁动力神经刺激器，可以产生与临床批准的电池驱动植入物相同的高频信号，用于治疗癫痫、帕金森氏症、慢性疼痛和其他疾病。
这项研究发表在《神经元》杂志的网站上。
这种植入物的关键成分是一种“磁电”材料薄膜，它可以将磁能直接转换成电压。这种方法避免了无线电波、超声波、光、甚至磁线圈的缺点，这些都曾被提议用于驱动微型无线植入物，并已被证明会干扰活组织或产生有害的热量。
为了证明磁电技术的可行性，研究人员在啮齿动物身上证明了植入物的作用，这些啮齿动物是完全清醒的，可以自由地在它们的笼子里走动。
这项研究的通讯作者、莱斯神经工程项目的成员雅各布·罗宾逊(Jacob Robinson)说:“做原理证明的演示真的很重要，因为从桌面演示到可能真正对治疗人类有用的演示，是一个巨大的技术飞跃。”“我们的研究结果表明，使用磁电材料进行无线电力传输不仅仅是一个新颖的想法。这些材料是临床级无线生物电子学的优秀候选材料。”
能够调节大脑和神经系统活动的微型植入物可能具有广泛的意义。虽然电池植入经常用来治疗癫痫患者,减少震动帕金森症,研究表明,神经刺激可以用于治疗抑郁症,强迫症,超过三分之一的人患有慢性,棘手的痛苦,常常会导致焦虑、抑郁和阿片类药物成瘾。
罗宾逊说，这项研究的主要作者和研究生阿曼达·辛格的微型化是很重要的，因为使神经刺激疗法更广泛应用的关键是创造出无电池的无线设备，这些设备足够小，无需大手术就可以植入人体。他说，一粒米大小的设备可以通过微创手术植入人体的几乎任何地方，类似于在堵塞的动脉中放置支架。
该研究的合著者和神经工程组织的成员Caleb Kemere说:“当你必须开发一种可以皮下植入小动物头骨的东西时，你的设计限制就会发生显著变化。在一个没有限制的环境下用这种方法在啮齿动物身上工作，这迫使阿曼达把尺寸和体积降到尽可能小的程度。”
在啮齿类动物的测试中，研究人员将设备放置在啮齿类动物的皮下，让它们在笼子里自由活动。这些啮齿类动物更喜欢待在磁场激活刺激器并向大脑奖励中心提供小电压的地方。
辛格是罗宾逊实验室的一名应用物理学学生，他通过将两种截然不同的材料层连接在一部电影中，解决了无线电源的问题。第一层是由铁、硼、硅和碳组成的磁致伸缩箔，放在磁场中会在分子水平上振动。第二种是压电晶体，它将机械应力直接转化为电压。
辛格说:“磁场在磁致伸缩材料中产生应力。”“它不会让材料变得明显更大或更小，但它会产生声波，其中一些声波的共振频率会产生一种特殊的模式，我们称之为声学共振模式。”
磁致伸缩材料中的声共振是导致大型变压器发出嗡嗡声的原因。在辛格的植入物中，声学回响激活了电影的压电部分。
罗宾逊说，这种磁电薄膜可以获得大量电能，但其工作频率太高，对脑细胞影响不大。
罗宾逊说:“阿曼达解决的一个主要工程问题是创造出一种电路，以较低的频率调节细胞的活动，使其对细胞产生反应。”“这和AM收音机的工作原理类似。你会听到这些非常高频的波，但它们被调制到你能听到的低频。”
辛格说，创造一种可调节的双相信号，既能刺激神经元又不伤害它们，这是一个挑战，就像小型化一样。
“当我们第一次提交这篇论文时，我们还没有微型植入版本，”她说。“在那之前，最重要的事情是弄清楚如何得到我们用来刺激的双相信号，以及我们需要什么电路元件来做到这一点。
“当我们收到第一次提交后的评论时，评论是这样的，‘好吧，你说你可以把它变小。所以，让它变小，’”辛格说。“所以，我们又花了一年左右的时间把它做得很小，并证明它确实有效。这可能是最大的障碍。一开始，制造能够工作的小型设备很困难。”
罗宾逊说，这项研究总共花了五年多的时间，主要是因为辛格几乎从头做起。
“这种电力传输技术没有基础设施，”他说。“如果你使用射频，你可以买射频天线和射频信号发生器。如果你在使用超声波，就不会有人说，‘哦，顺便说一下，首先你得造出超声波机器。’
“阿曼达必须建立起整个系统，从产生磁场的设备到将磁场转化为电压的分层薄膜，再到调节磁场并将其转化为临床应用的电路元件。”她必须制造所有的东西，打包，放在动物体内，为体内实验创造测试环境和固定装置，并完成这些实验。除了磁致伸缩箔和压电晶体，在这个项目中没有任何东西可以从供应商那里购买。”
Robinson和Kemere都是电子和计算机工程以及生物工程的副教授。
其他共同作者包括Shayok Dutta, Eric Lewis, Ziying Chen, Joshua Chen, Nishant Verma, Benjamin Avants和Ariel Feldman，所有的大米，以及John O'Malley和Michael Beierlein，他们都来自休斯顿麦戈文医学院的德克萨斯大学健康科学中心。
这项研究得到了美国国家科学基金会和美国国立卫生研究院的支持。
