未来智慧医疗将神经植入物尺寸缩小为尘埃大小方法

主流医学在人体内使用电子元件的现象越来越普遍，各种植入元件被植入体内，用于测量人体内部状况并向神经和肌肉发送模拟的电震动刺激。但是，要将人体转换成为合适的“半机械人”，需要大量能分布于人体各处的微型设备。为实现这一目标，一个生物工程师团队已成功打造出了尘埃大小的无线电极，可直接贴附于神经之上，也许在未来的某天，也可“寄居”在人类的大脑里。

该工程师团队来自加州大学伯克利分校，他们将一颗被称为“神经灰尘”的颗粒移植到一只被麻醉的大鼠体内，成功证明该植入电极可记录该大鼠坐骨神经所发出的信号并可通过无线方式传输这些信息。本次研究工作在加州大学伯克利分校神经工程和假体中心予以具体实施。乔斯卡门纳（Jose Carmena）是该中心的联执主任，也是本次研究工作的联合领导人员，他表示：“本次试验是概念认证试验。”如果神经灰尘可用于人体和大脑之中，那么医生将会与人类神经系统产生全新且更为密切的“互动关系”。

但首先，神经灰尘要能在失去知觉的大鼠体内发挥作用。

在为神经灰尘提供动力时，动物体外的换能器将发出超声波震动，并通过皮肤和组织进行传递。当声波到达植入的微粒时，微粒的压电晶体会将震动的机械能转化为电能，从而向按压在神经之上的尺寸极小的晶体管提供动力支持。随着神经中的自然电活动不断发生变化，晶体管中的电流也随之发生变化，从而为神经信号提供了一个读出机制。

神经灰尘系统同样会使用超声波将上述神经信号信息传出体外。外部换能器会发出为微粒供能的超声波震动以及接收部分返回震动的回音，发出和接收交替进行。由于通过晶体管的电流发生变化，故压电晶体的机械阻抗亦发生变化，继而对换能器所收到的返回信号数量产生影响。

为确保该系统对人类可用，卡门纳及其同事目前正着力解决4项极为突出的技术挑战。

挑战1

在大鼠清醒且不断乱动的状态下，

确保大鼠体内的神经灰尘系统正常工作。

使用超声波为颗粒供电拥有一大优势，那就是可实现系统的无线化。其他神经记录系统通常使用大型电池或笨拙不雅且须穿透皮肤的电线。但无线化也存在一个弊端。外部换能器必须与植入灰尘颗粒保持高度一致，只有这样，超声波震动才能准确触达压电晶体。当被试大鼠处于无意识状态时，保持上述一致较为简单，但如果大鼠处于清醒状态且四处乱动，那么问题就变得较为棘手了。

因此，本次研究工作的联合领导人米歇尔马哈比斯（Michel Maharbiz，就职于伯克利分校电子工程系）曾研发啮齿动物可穿戴的换能器。他提出将一个内含换能器设备的小背包放置于植入颗粒的上部，从而实现可靠的一致性要求。

尽管如此，部分专家还是表示，一致性问题将导致神经灰尘系统无法在人类患者中得到实际应用。达斯汀泰勒（Dustin Tyler）是位于美国克利夫兰的凯斯西储大学的生物医学工程教授，致力于研究包裹神经的卡肤电极，他表示：“极为复杂的外部组件将削弱简单无线植入物的优势。每天穿脱那些需要进行调整从而实现高度一致性的（超声）换能器设备阵列，会使人感到心烦意乱，且会导致病人无法使用或无法正常使用这种设备。”

挑战2

在单个动物体内使用多个微粒。

在概念认证试验中，研究人员不仅对大鼠神经信号进行了记录，也对大鼠肌肉的电信号进行了记录。马哈比斯表示：“通过在多处肌肉和神经上使用微粒，神经灰尘可提供相当于内部传感器网络的功能。深层组织温度传感器对于器官功能的监测强度和效率是目前已有技术所无法匹敌的。”

要想对来自多个微粒的信号提供动力支持并进行记录，研究人员需要研发新的技巧和方法，并需确定更优的信号处理流程。研究人员可使用大量的超声波换能器，实现对动物全身的射束扫描，从而依次触达所有颗粒。工程师也正编写全新的信号处理算法，以便正确识别来自多个信号源的回声信息。卡门纳对此十分乐观，他强调：“蝙蝠也使用相似的回声定位方法，从而在存在众多动物的山洞内进行导航、飞行。如果蝙蝠可以做到这一点，那么我们应该也可做到。”

挑战3

除了记录功能外，

神经灰尘还应该能刺激神经。

尽管记录神经和肌肉产生的信号能够提供关于人体的详细信息，但是，身处“电子医学”这一热门新领域的研究人员，更倾向于使用电脉冲对神经进行刺激从而改变身体的运转状况。例如，电子医学公司正在开发对颈部迷走神经进行刺激的医疗设备，可改善类风湿性关节炎的发炎症状，并可减轻偏头疼的疼痛程度。

但是，当前的神经灰尘颗粒仍是一款功率较低的设备，其功率只有0.12毫瓦。费恩斯坦医学研究所（Feinstein Institute）位于纽约州的曼哈塞特，该机构的生物电子医学中心主任查德布顿（Chad Bouton）表示：“具备刺激功能的颗粒需要更大的功率支持。他们的思路十分正确，但要成功开发刺激功能，他们或许还需进行更多工作。”布顿的实验室已开发出另一种神经环带，并配有大量紧密排布的电极，提供强劲的刺激冲击，但是，该设备目前仍需使用穿透皮肤的线路。

挑战4

需缩小颗粒尺寸，

以便能够安全放置于人脑之中。

“神经灰尘”这一名称颇具理想性：研究人员目前使用的颗粒，其体积约为2.4立方毫米，远远大于常见的灰尘颗粒体积。如果研究人员想在人脑中安全分布神经灰尘，那么他们必须研制出体积更小的颗粒。

研究人员表示，他们的颗粒样品使用的是市场上流通的普通电路板。他们认为，通过开发定制化电路板，他们可以将颗粒的体积缩小到1立方毫米，约为样品中压电晶体的尺寸。同时，他们已经在为更具“野心”的目标而努力：研发体积仅为50立方微米的颗粒。如可获得该等体积的颗粒，那么即可将颗粒放置于人类大脑更深层次的褶皱区域，我们也可以一窥人类脑海中那些未知的神秘角落。