Rice University neuroengineers haben eine winzige chirurgische Implantat elektrisch stimuliert das Gehirn und Nervensystem, ohne mit einem Akku-oder kabelgebundene Stromversorgung.

Die neural-stimulator bezieht seine Kraft aus der magnetischen Energie und ist über die Größe von einem Reiskorn. Es ist das erste magnetisch angetrieben neural stimulator, produziert die gleiche Art von Hochfrequenz-Signale als klinisch geprüft, Batterie-betriebene Implantate, die zur Behandlung von Epilepsie, Parkinson-Krankheit, chronische Schmerzen und andere Erkrankungen.

Die Forschung ist heute online verfügbar in der Fachzeitschrift Neuron.

Das Implantat ist Hauptbestandteil ist ein dünner film von „magnetoelektrische“ material “ konvertiert magnetische Energie direkt in eine elektrische Spannung. Die Methode vermeidet die Nachteile der Radiowellen, Ultraschall -, Licht-und sogar magnetische Spulen, die alle, die vorgeschlagen wurden, für die Speisung der winzige kabellose Implantate und die gezeigt haben, leiden unter Störungen, die mit lebenden Gewebe oder schädlichen Mengen an Wärme.

Demonstrieren die Lebensfähigkeit der magnetoelektrischen Technologie, die Forscher zeigten die Implantate arbeitete in Nagetieren, die waren ganz wach und frei, über Ihre Anlagen.

„Doing, dass proof-of-principle-Demo ist wirklich wichtig, weil es einen riesigen technologischen Sprung gemacht, um zu gehen von einem benchtop-demonstration für etwas, das könnte tatsächlich nützlich für die Behandlung von Menschen“, sagte Jacob Robinson, der entsprechende Autor der Studie und ein Mitglied des Reis Neuroengineering Initiative. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass über magnetoelektrische Materialien für wireless power delivery ist mehr als eine neue Idee. Diese Materialien sind ausgezeichnete Kandidaten für die klinische-grade-wireless-bioelectronics.“

Winzige Implantate in der Lage Modulation der Aktivität des Gehirns und des Nervensystems haben könnte weitreichende Implikationen. Während batteriebetriebene Implantate werden Häufig verwendet, um zu behandeln, Epilepsie und reduzieren Tremor bei Patienten mit Parkinson-Krankheit, hat die Forschung gezeigt, dass neuronale stimulation könnte nützlich für die Behandlung von Depressionen, Zwangsstörungen, und mehr als ein Drittel derer, die leiden von chronischen, hartnäckigen Schmerzen, führt oft zu Angst, depression und opioid-sucht.

Robinson, sagte der Miniaturisierung durch die Studie führen Autor und Diplom-Studentin Amanda Singer ist wichtig, weil der Schlüssel für neuronale stimulation in der Therapie allgemein verfügbar ist die Schaffung Batterie-kostenlos, WLAN-Geräte, die klein genug sind, implantiert werden, ohne größere Operation. Geräte über die Größe von einem Reiskorn könnte implantiert im Körper fast überall mit ein minimal-invasives Verfahren, ähnlich dem verwendet, um stents in Arterien blockiert, sagte er.

Studie co-Autor und neuroengineering initiative-Mitglied Caleb sagte Kemere, „Wenn Sie etwas entwickeln, das implantiert werden kann subkutan auf dem Schädel von kleinen Tieren, Ihre design-Randbedingungen wesentlich geändert haben. Immer diese arbeiten auf ein nagetier in einen constraint-freien Umgebung wirklich gezwungen Amanda nach unten drücken, die Größe und die Lautstärke auf die niedrigste mögliche Ebene.“

Für das nagetier tests, wurden Geräte aufgestellt, die unter der Haut von Nagern, die waren frei, während Ihre Gehäuse. Der Nager bevorzugt werden in Portionen von dem Gehäuse, wo ein magnetisches Feld aktiviert den stimulator und eine kleine Spannung auf das Belohnungszentrum Ihrer Gehirne.

Singer, angewandte Physik-student in Robinson ‚ s lab, löste das WLAN-problem mit der Stromversorgung durch den Beitritt Lagen zwei sehr unterschiedliche Materialien in einem einzigen film. Die erste Schicht, die einen magnetostriktiven Folie von Eisen, Bor, Silizium und Kohlenstoff, schwingt auf molekularer Ebene, wenn es in einem Magnetfeld platziert. Der zweite, ein Piezo-Kristall, wandelt die mechanische Belastung direkt in eine elektrische Spannung.

„Das magnetische Feld erzeugt stress in dem magnetostriktiven material,“ – Sängerin sagte. „Es ist nicht das material bekommen sichtlich größer und kleiner, aber es erzeugt akustische Wellen und einige von denen sind bei einer Resonanzfrequenz, die schafft einen bestimmten Modus, den wir verwenden als eine akustische Resonanz-Modus.“

Die akustische Resonanz in magnetostriktiven Materialien ist, was bewirkt, dass große elektrische Transformatoren hörbar zu Brummen. In Singer ‚ s Implantate, die akustische Schwingungen aktivieren der piezoelektrischen Hälfte des Films.

Robinson sagte, die magnetoelektrischen Filme Ernte viel power, aber arbeiten bei einer Frequenz, die zu hoch, um Einfluss auf die Gehirnzellen.

„Ein schweres Stück Technik, dass Amanda gelöst war die Schaffung der Schaltung zu modulieren, dass die Aktivität bei einer niedrigeren Frequenz, die den Zellen entsprechen würde,“ sagte Robinson. „Es ist ähnlich wie AM radio funktioniert. Sie haben diese sehr hochfrequenten Wellen, aber Sie sind moduliert bei einer niedrigen Frequenz, die Sie hören können.“

Die Sängerin sagte der Erstellung eines modulierten biphasisches signal, das könnte stimulieren die Neuronen, ohne Ihnen zu Schaden, war eine Herausforderung, da war die Miniaturisierung.

„Wenn wir zuerst dieses Papier vorgelegt, wir haben nicht die Miniatur implantierten version“, sagte Sie. „Bis zu diesem Zeitpunkt, die größte Sache war, herauszufinden, wie Sie tatsächlich bekommen, dass biphasisches signal, dass wir stimulieren mit, was Stromkreis-Elemente wir dafür nicht nötig.

„Als wir die Bewertungen wieder nach, dass die erste Einreichung, die Kommentare waren wie, ‚OK, Sie sagen, Sie können machen Sie es klein. Also, machen Sie es klein,'“ – Sängerin sagte. „So, wir brauchten noch ein Jahr oder so macht es kleinen und zeigen, dass es wirklich funktioniert. Das war wohl die größte Hürde. Die kleinen Geräte, die arbeitete, war schwierig, auf den ersten.“

Alle sagten, die Studie dauerte mehr als fünf Jahre, vor allem, weil die Sängerin musste fast alles von Grund auf, sagte Robinson.

„Es gibt keine Infrastruktur für diese Energie-transfer-Technologie“, sagte er. „Wenn Sie mit radio-Frequenz (RF), können Sie kaufen RF-Antennen und RF-Signalgeneratoren. Wenn Sie mit Hilfe von Ultraschall, es ist nicht wie jemand sagt, ‚Oh, durch die Art und Weise, zuerst bauen Sie die Ultraschall-Maschine.‘