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更多技术干货第一时间送达 研究人员已经发明了一种由智能手机控制的软脑植入物，可以从体外无线充电。它使长期的神经回路操作成为可能，而无需定期进行破坏性手术来更换植入物的电池。科学家认为，这项技术可以帮助发现和治疗精神疾病和神经退行性疾病，如上瘾、抑郁和帕金森病。 由Jae-WoongJeong教授领导的该项研究，比他在2019年开发的无线头戴植入神经设备向前迈进了一步。之前的版本可以通过智能手机无线提供多种药物和光刺激治疗。 在新的升级版本中，研究团队提出了一个完全可植入的软光电系统，可以通过智能手机远程和选择性地控制。这项研究于2021年1月22日发表在《自然通讯》杂志上。 韩国科学技术院(KAIST)研究人员和延世大学(Yonsei University)的研究者联合设计了一种微型大脑植入物，该植入物可以从体外无线充电，以长时间控制大脑电路，而无需频繁更换电池。该设备由超柔软和生物兼容的聚合物制成，可帮助提供与组织的长期兼容性。它配备了微米级LED(相当于一粒盐的大小)，并安装在超薄探针(人的头发厚度)上，它可以使用光无线控制大脑深处的目标神经元。 系统设计与工作原理 用于体内光遗传学的全可植入、无线可充电、软光电系统的设计和工作原理。 下图a)带有双向探头的软无线光电系统的分解示意图，该探头由微型无机发光二极管(μ-ILEDs)、电源管理电路、射频线圈天线、电池和低功耗蓝片上系统(BLE SoC)组成。b)整个功率调节系统电路图，由无线功率发射器和无线可充电光电系统(即无线接收器)组成。 下图中c)用手指握住的无线光电系统的光学图像。插图显示，这款设备特别小。d)无线光电探测系统皮下植入啮齿动物头部以控制大脑深处的神经回路的概念说明。e)被植入无线光电系统的大鼠的X射线图像。 下图f)无线光电系统在两种不同场景下的工作原理。无线植入物可以在(i)一个装有闭环射频自动充电系统的笼子中操作，用于慢性体内研究，或(ii)任何传统的实验设置，使用集成电池，而不需要特殊的射频功率发射器。在所有情况下，定制设计的智能手机应用程序允许用户友好地控制无线植入物。 新的无线充电技术解决了目前大脑植入设备的局限性。无线植入设备技术最近已成为传统系植入设备的替代品，因为它们有助于在大脑研究过程中将自由运动的动物的压力和炎症最小化，从而延长设备的使用寿命。然而，这类设备要么需要间歇性手术来更换电池，要么需要特殊且笨重的无线电源设置，这限制了实验选择和动物实验的可扩展性。 Jeong教授表示：“这种功能强大的设备无需进行额外痛苦的手术即可更换植入物中耗尽的电池，从而实现了无缝的慢性神经调节。”“我们相信，相同的基本技术可以应用于各种类型的植入物，包括深部脑刺激器以及心脏和胃部起搏器，以减轻患者长期在体内使用它们的负担。” 为了实现无线电池充电和控制，研究人员开发了一种微型电路，该电路将无线能量采集器与线圈天线和低功耗蓝牙芯片集成在一起。交变磁场可以无害地穿透组织，并在设备内部产生电流来为电池充电。然后，由电池供电的蓝牙植入物通过一个“易于使用”的智能手机应用程序，将可编程的光模式传输到脑细胞，实现实时大脑控制。 下图显示了用于人脑应用的无线操作和系统充电的概念图。植入无线系统的人可以通过智能手机的对其进行简单操作(左)，并通过佩戴集成有RF发射线圈的无线充电头盔为电池充电(右)。 该项研究的作者之一，KAIST的研究员Choong Yeon Kim表示：“该设备可以随时随地操作以操作神经回路，因此它可以成为研究脑功能的高度通用的工具。” 神经科学家成功地在大鼠中测试了这些植入物，并证明了在向大鼠注射可卡因后它们具有抑制可卡因诱导行为的能力。这是通过使用智能手机控制的LED对大脑中相关目标神经元进行精确的光刺激来实现的。此外，植入物中的电池可以在老鼠自由活动时反复充电，从而最大限度地减少对实验的物理干扰。研究人员表示：“无线电池的充电使实验过程变得简单得多。” 参考 Soft subdermal implant capable of wireless battery charging and programmable controls for applications in optogenetics https://www./releases/2021/01/210126113658.htm |
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