一項有可能模糊生物學和電子學之間界限的技術，在證明其可行性的競賽中剛剛跨越了一個主要障礙。
由神經科學家何塞·卡梅納和電氣與計算機工程師米歇爾·馬哈比茲領導的加州大學伯克利分校團隊，首次展示了他們稱之為“超聲神經塵埃”的技術，用於監測活體動物的神經活動。他們記錄了麻醉大鼠坐骨神經和腿部肌肉在足部受到電刺激時的活動。“我的實驗室一直致力於生物學和人造物體之間的界限，”馬哈比茲說。“我們製造微型裝置，將合成材料與生物材料連線起來。”這項工作上週發表在《神經元》雜誌上。
該系統使用超聲波進行無線通訊和裝置供電，無需電線和電池。它由一個外部收發器和一個團隊稱之為“塵埃微粒”的約0.8x1x3毫米大小的植入物組成，該植入物植入體內。收發器向植入物中的壓電晶體傳送超聲波脈衝，晶體將其轉換為電能供電。植入物透過電極記錄大鼠的電訊號，並利用該訊號改變晶體的振動。這些振動被反射回收發器，從而記錄訊號——這種技術被稱為反向散射。“這是首次有人使用超聲波作為為極小的可植入系統供電和通訊的方法，”該論文的作者之一董金·徐說。“這為體現遙測技術開闢了許多應用：能夠將超小的東西植入身體深處，將其放置在神經、器官、肌肉或胃腸道旁邊，並無線讀取資料。”
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該團隊還計劃開發可以刺激和監測神經的植入物，從而實現對神經系統活動的閉環控制。這在生物電醫學新興領域具有潛在應用，該領域有望提供一類全新的療法，稱為電子藥物。例如，葛蘭素史克最近宣佈與谷歌姐妹公司 Verily Life Sciences 合作建立 Galvani Bioelectronics，該公司將開發可以改變神經訊號以治療慢性疾病的植入物。動物研究已經表明該技術可用於治療 2 型糖尿病，並且還有許多其他可能性。徐說，他們正在研究治療膀胱控制問題和腸道疾病。
“雖然該技術仍處於起步階段，但初步結果清楚地表明瞭超聲反向散射方法的潛力，”葛蘭素史克生物電子學研究平臺負責人維克多·皮科夫說，他沒有參與伯克利團隊的研究。“伯克利團隊正在朝著開發一種全新的感測器邁出令人興奮的步伐，該感測器將在生物電子醫學中得到廣泛應用。”
下一步是測試塵埃微粒在植入後是否能長期保持活力，並在清醒和自由活動的動物身上進行實驗。然後，該團隊計劃進行各種改進。“當我們驗證這些平臺是否適合長期使用時，我們將使其更小，新增額外的功能，如刺激和其他型別的感測器，”馬哈比茲說。“你可以使用這些裝置來獲取關於pH值、氧氣、化學物質、腫瘤等各種各樣的資料，深入你的身體，並進行可靠的通訊，這個想法非常令人興奮。”
該團隊還計劃使用多個收發器來更好地跟蹤移動的微粒。這還可以引導超聲波束與多個植入物通訊。“我們的願景是將大量微粒植入身體的任何部位，並使用一個貼片傳送超聲波來喚醒感測器，並接收任何所需療法的資訊，”徐說。“所有東西都將被密封起來，在植入部位上方有一個貼片，可以單獨或同時與植入物通訊。”
徐說，該專案的最初目標是開發下一代腦機介面。該小組在 2013 年發表了一項理論分析，表明該技術可以用於小至 50 微米的植入物，該尺度與神經元相當。神經科學家面臨的最大挑戰之一是如何在不損傷或破壞組織的情況下將東西放入大腦，部分問題是任何大於幾個細胞的東西都容易引起包括炎症在內的生物反應。
標準植入物不僅會損傷組織，從而緩慢降低效能；它們所需的電線也存在感染的風險。以前的無線植入物也存在嚴重的缺陷，例如深度有限以及壽命在幾個月到兩年之間。這些缺陷主要歸咎於這些裝置使用電磁學（EM）。電磁波的傳播速度遠快於聲音，這意味著對於給定的頻率，波長更長。這限制了植入物可以有多小，因為無線通訊需要與所用波長尺寸相似的接收器。足以與微型植入物通訊的電磁波長將具有極高的頻率，這將導致組織損傷並且無法穿透那麼遠。超聲波解決了這些問題。“有一天走在停車場，我突然想到超聲波可能是答案，因為軟組織對超聲波相對透明，而且波長非常完美，”馬哈比茲說。“我非常興奮；一種頓悟時刻。”
如果該團隊能夠開發出足夠小的植入物，它可能會為治療包括癲癇在內的神經系統疾病鋪平道路。它還將屬於巴拉克·奧巴馬總統的“透過推進創新神經技術進行大腦研究（BRAIN）”計劃的範圍，該計劃鼓勵開發用於與大腦通訊的新工具。“令人興奮的是，它使用了一種我們已經非常瞭解的舊技術，這種技術每天都在臨床環境中應用，”卡弗裡基金會科學專案執行副總裁，也是 BRAIN 計劃的主要參與者 Miyoung Chun 說。“許多在動物身上開發的新工具，如光遺傳學，尚未準備好用於人類應用，但這裡有不同的機會；這看起來真的很令人興奮。”