一项有可能模糊生物学和电子学之间界限的技术，在证明其可行性的竞赛中刚刚跨越了一个主要障碍。
由神经科学家何塞·卡梅纳和电气与计算机工程师米歇尔·马哈比兹领导的加州大学伯克利分校团队，首次展示了他们称之为“超声神经尘埃”的技术，用于监测活体动物的神经活动。他们记录了麻醉大鼠坐骨神经和腿部肌肉在足部受到电刺激时的活动。“我的实验室一直致力于生物学和人造物体之间的界限，”马哈比兹说。“我们制造微型设备，将合成材料与生物材料连接起来。”这项工作上周发表在《神经元》杂志上。
该系统使用超声波进行无线通信和设备供电，无需电线和电池。它由一个外部收发器和一个团队称之为“尘埃微粒”的约0.8x1x3毫米大小的植入物组成，该植入物植入体内。收发器向植入物中的压电晶体发送超声波脉冲，晶体将其转换为电能供电。植入物通过电极记录大鼠的电信号，并利用该信号改变晶体的振动。这些振动被反射回收发器，从而记录信号——这种技术被称为反向散射。“这是首次有人使用超声波作为为极小的可植入系统供电和通信的方法，”该论文的作者之一董金·徐说。“这为体现遥测技术开辟了许多应用：能够将超小的东西植入身体深处，将其放置在神经、器官、肌肉或胃肠道旁边，并无线读取数据。”
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该团队还计划开发可以刺激和监测神经的植入物，从而实现对神经系统活动的闭环控制。这在生物电医学新兴领域具有潜在应用，该领域有望提供一类全新的疗法，称为电子药物。例如，葛兰素史克最近宣布与谷歌姐妹公司 Verily Life Sciences 合作创建 Galvani Bioelectronics，该公司将开发可以改变神经信号以治疗慢性疾病的植入物。动物研究已经表明该技术可用于治疗 2 型糖尿病，并且还有许多其他可能性。徐说，他们正在研究治疗膀胱控制问题和肠道疾病。
“虽然该技术仍处于起步阶段，但初步结果清楚地表明了超声反向散射方法的潜力，”葛兰素史克生物电子学研究平台负责人维克多·皮科夫说，他没有参与伯克利团队的研究。“伯克利团队正在朝着开发一种全新的传感器迈出令人兴奋的步伐，该传感器将在生物电子医学中得到广泛应用。”
下一步是测试尘埃微粒在植入后是否能长期保持活力，并在清醒和自由活动的动物身上进行实验。然后，该团队计划进行各种改进。“当我们验证这些平台是否适合长期使用时，我们将使其更小，添加额外的功能，如刺激和其他类型的传感器，”马哈比兹说。“你可以使用这些设备来获取关于pH值、氧气、化学物质、肿瘤等各种各样的数据，深入你的身体，并进行可靠的通信，这个想法非常令人兴奋。”
该团队还计划使用多个收发器来更好地跟踪移动的微粒。这还可以引导超声波束与多个植入物通信。“我们的愿景是将大量微粒植入身体的任何部位，并使用一个贴片发送超声波来唤醒传感器，并接收任何所需疗法的信息，”徐说。“所有东西都将被密封起来，在植入部位上方有一个贴片，可以单独或同时与植入物通信。”
徐说，该项目的最初目标是开发下一代脑机接口。该小组在 2013 年发表了一项理论分析，表明该技术可以用于小至 50 微米的植入物，该尺度与神经元相当。神经科学家面临的最大挑战之一是如何在不损伤或破坏组织的情况下将东西放入大脑，部分问题是任何大于几个细胞的东西都容易引起包括炎症在内的生物反应。
标准植入物不仅会损伤组织，从而缓慢降低性能；它们所需的电线也存在感染的风险。以前的无线植入物也存在严重的缺陷，例如深度有限以及寿命在几个月到两年之间。这些缺陷主要归咎于这些设备使用电磁学（EM）。电磁波的传播速度远快于声音，这意味着对于给定的频率，波长更长。这限制了植入物可以有多小，因为无线通信需要与所用波长尺寸相似的接收器。足以与微型植入物通信的电磁波长将具有极高的频率，这将导致组织损伤并且无法穿透那么远。超声波解决了这些问题。“有一天走在停车场，我突然想到超声波可能是答案，因为软组织对超声波相对透明，而且波长非常完美，”马哈比兹说。“我非常兴奋；一种顿悟时刻。”
如果该团队能够开发出足够小的植入物，它可能会为治疗包括癫痫在内的神经系统疾病铺平道路。它还将属于巴拉克·奥巴马总统的“通过推进创新神经技术进行大脑研究（BRAIN）”计划的范围，该计划鼓励开发用于与大脑通信的新工具。“令人兴奋的是，它使用了一种我们已经非常了解的旧技术，这种技术每天都在临床环境中应用，”卡弗里基金会科学项目执行副总裁，也是 BRAIN 计划的主要参与者 Miyoung Chun 说。“许多在动物身上开发的新工具，如光遗传学，尚未准备好用于人类应用，但这里有不同的机会；这看起来真的很令人兴奋。”