in 2016, Universiteit van Californië, Berkeley, ingenieurs demonstreerden de eerste geïmplanteerde, ultrasone neurale stofsensoren, de dag dichterbij brengen dat een Fitbit-achtig apparaat interne zenuwen kon bewaken, spieren of organen in realtime. Nutsvoorzieningen, De ingenieurs van Berkeley hebben neuraal stof een stap voorwaarts gemaakt door het kleinste volume te bouwen, meest efficiënte draadloze zenuwstimulator tot nu toe.

Het apparaat, genaamd StimDust, afkorting voor het stimuleren van neurale stof, voegt meer geavanceerde elektronica toe aan neuraal stof zonder de kleine omvang of veiligheid van de technologie op te offeren, het bereik van neurale stoftoepassingen aanzienlijk uitbreiden. Het doel van de onderzoekers is om StimDust in het lichaam te laten implanteren via minimaal invasieve procedures om ziekten in realtime te volgen en te behandelen, patiëntspecifieke aanpak. StimDust heeft een volume van slechts 6,5 kubieke millimeter en wordt draadloos aangedreven door ultrageluid, die het apparaat vervolgens gebruikt om zenuwstimulatie aan te sturen met een efficiëntie van 82 procent.

"StimDust is de kleinste diepe weefselstimulator die we kennen en die in staat is om bijna alle belangrijke therapeutische doelen in het perifere zenuwstelsel te stimuleren, " zei Rikky Müller, co-lead van het werk en assistent-professor elektrotechniek en computerwetenschappen aan Berkeley. "Dit apparaat vertegenwoordigt onze visie om kleine apparaten te hebben die op minimaal invasieve manieren kunnen worden geïmplanteerd om het perifere zenuwstelsel te moduleren of te stimuleren, waarvan is aangetoond dat het effectief is bij de behandeling van een aantal ziekten."

Het onderzoek wordt op 10 april gepresenteerd op de IEEE Custom Integrated Circuits Conference in San Diego. Het onderzoeksteam werd mede geleid door een van de uitvinders van neurale stof, Michel Mahabiz, een professor in elektrotechniek en computerwetenschappen aan Berkeley.

De creatie van neuraal stof in Berkeley, geleid door Maharbiz en Jose Carmena, een Berkeley hoogleraar elektrotechniek en computerwetenschappen en lid van het Helen Wills Neuroscience Institute, heeft de deur geopend voor draadloze communicatie met de hersenen en het perifere zenuwstelsel door middel van kleine implanteerbare apparaten in het lichaam die worden aangedreven door ultrageluid. Engineeringteams over de hele wereld gebruiken het neurale stofplatform nu om apparaten te bouwen die draadloos kunnen worden opgeladen via ultrageluid.

Maharbiz kwam op het idee om ultrageluid te gebruiken voor het voeden en communiceren met zeer kleine implantaten. Samen met Berkeley-hoogleraren Elad Alon en Jan Rabaey, de groep ontwikkelde vervolgens het technische raamwerk om de schaalkracht van echografie voor implanteerbare apparaten te demonstreren.

Vroeg technisch werk van D.J. Seo, een Berkeley Ph.D. student die mede werd geadviseerd door Alon en Maharbiz, gevolgd door experimentele validaties door Ryan Neely, een andere Berkeley Ph.D. student, geadviseerd door Carmena, de basis gelegd voor de neurale stofvisie. In de jaren sinds de uitvinding van neuraal stof, echografie is een van de meest veelbelovende technologieën gebleken voor het voeden en communiceren van implanteerbare apparaten.

Muller kwam in 2016 naar Berkeley en is een belangrijke aanjager geweest van innovatie op het gebied van neurale stof. Haar onderzoeksgroep is gespecialiseerd in bidirectionele elektronische interfaces met het menselijk lichaam, specifiek in de hersenen en het perifere zenuwstelsel. Haar team heeft gewerkt aan manieren om de kracht te gebruiken die kan worden overgedragen op neuraal stof. In StimDust, haar lab heeft het neurale stofplatform genomen en een effectievere stimulator gebouwd die zich om een ​​zenuwmanchet kan wikkelen en ook kan opnemen, gegevens verzenden en ontvangen. Ze deden dit door een op maat gemaakt geïntegreerd circuit te ontwerpen om ultrasone lading op de zenuw over te brengen in een goed gecontroleerde, veilige en efficiënte manier.

StimDust is ongeveer een orde van grootte kleiner dan elk actief apparaat met vergelijkbare mogelijkheden waarvan het onderzoeksteam op de hoogte is. De componenten van StimDust omvatten een enkel piëzokristal, dat is de antenne van het systeem, een geïntegreerde schakeling van 1 millimeter en een condensator voor ladingsopslag. StimDust heeft elektroden aan de onderkant, die contact maken met een zenuw via een manchet die zich om de zenuw wikkelt. Naast het apparaat, Het team van Muller heeft een op maat gemaakt draadloos protocol ontworpen dat hen een groot scala aan programmeerbaarheid biedt met behoud van efficiëntie. Het hele apparaat wordt aangedreven door slechts 4 microwatt en heeft een massa van 10 milligram.

Na het testen van StimDust op het werkblad, het onderzoeksteam implanteerde het in een levend knaagdier om het in een realistische omgeving te testen. Door een manchet rond de heupzenuw, het onderzoeksteam kon de beweging van het achterbeen controleren, registreer de stimulatie-activiteit en meet hoeveel kracht er op de achterbeenspier werd uitgeoefend toen deze werd gestimuleerd. De onderzoekers verhoogden vervolgens geleidelijk de stimulatie en brachten de respons van de achterbeenspier in kaart, zodat ze precies konden weten hoeveel stimulatie nodig was voor een gewenste spierrekrutering. een soort verfijnde analyse die vereist is voor medische hulpmiddelen.

Muller hoopt dat haar werk kan leiden tot toepassingen van StimDust voor de behandeling van ziekten zoals hartafwijkingen, chronische pijn, astma of epilepsie.

"Een van de grote visies van mijn groep is om deze zeer efficiënte bidirectionele interfaces met het zenuwstelsel te creëren en dat te koppelen aan intelligentie om de signalen van ziekte echt te begrijpen en vervolgens ziekte te kunnen behandelen op een intelligente, methodische manier, "Zei Muller. Er is een ongelooflijke kans voor toepassingen in de gezondheidszorg die echt transformatief kunnen zijn."