美研究出可小型神经刺激器

反射耦合神经刺激器系统概念图。(a)感应链路系统概览。(b)无线供电的光电神经刺激器的概念图及其在动物大脑皮层上的位置。

随着神经生物学系统中半导体植入物的快速发展，旨在实现临床转化的神经科学的发现和发明也进展迅速。光遗传学可以将光传输到感兴趣的神经组织，同时使用目标控制工具从细胞中收集数据。理想的无线光学植入物必须满足以下条件：1. 以毫米为单位缩小尺寸，以预防侵入性手术感染、发炎及术后创伤。2. 允许高效的电力传输和与深部目标神经元的远距离通讯，进而实现在人类上的应用。但目前科学家们还未发明一种完全可植入和小型化的高压刺激器来提供精确的刺激并控制感兴趣的参数。

近日，来自美国电气、计算机工程和生理学交叉部门的Wasif Khan领导的一组研究人员，利用光遗传学和比米粒还小的微型线圈改进了针对神经元的可植入光学设备，并利用这种方法通过传播光脉冲控制了基因改造神经元中的蛋白质表达。相关论文发表在《微系统和纳米工程》杂志上。

在此之前，神经科学家一直在使用笨重的电缆和电池来控制并收集数据。为了取代这种笨重的硬件系统，Khan等人开发了一种完全无线的原型机：他们将一个微尺度发光二极管（µLED）与一个2毫米的线圈连接起来，创建了一个感应充电系统，并能够在啮齿类动物模型中以生物安全频率提供瞬时电力。无线装置刺激了视觉皮层的神经元，同时将温度升高保持在生物医学植入物的关键安全阈值——10℃以下。

接下来，科学家们研究了神经刺激器的光学特性，发现与波导或穿透探针相比，神经刺激器对深层脑细胞的侵入性更小。反射耦合神经刺激器具有良好的光学性能，但随着组织切片厚度的增加，光强明显降低。在无深部组织侵入的脑刺激中，反射耦合刺激器的强度显著高于裸刺激器。

Khan等人也测试并优化了神经刺激器原型机的热性能、电磁性能和功率传递效能，并在大鼠体内进行了组织学研究，验证了无线光刺激在大鼠初级视觉皮质中的有效性。

总的来说，Khan等人设计、制造并描述了一种反射耦合的无线单通道光神经刺激器，它具有毫米级的接收线圈，可用于光遗传学的神经调节。在目前的工作中，反射耦合刺激器相比裸µLED具有更高的性能。进一步地，研究人员利用分析电路模型、有限元模拟和实验方法研究了双线圈遥测链路的性能，并在通过光刺激观察细胞活性上调的大鼠模型中验证了神经刺激器的潜在作用。接下来他们将进行进一步研究，将这些设备小型化并用于神经生物学。

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编译：花花 

审稿：西莫 

责编：张梦

期刊来源：《微系统和纳米工程》

期刊编号：2055-7434

原文链接：

https://phys.org/news/2019-06-biotechnology-wireless-power-tiny-neural.html

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